李海潮，林 晨，周昌歡，王清春，張娟娟

（青島理工大學機械工程學院，山東青島266033）

Ni60A＋20WC于水刀噴嘴耐磨層的應用工藝

李海潮，林 晨，周昌歡，王清春，張娟娟

（青島理工大學機械工程學院，山東青島266033）

采用高頻感應熔覆技術以提高高壓水刀噴嘴的耐磨性能，本實驗選用304不銹鋼板作為基體材料，Ni60A＋20%WC合金粉末作為熔覆層材料；分別采用高頻感應加熱設備、電火花成型機和小孔機對試件進行加熱、熔覆并加工到規(guī)定尺寸.采用掃描電子顯微鏡觀察試件的微觀組織，發(fā)現(xiàn)涂層和基體之間產(chǎn)生了擴散層；采用X射線衍射儀分析涂層相結(jié)構，涂層中存在的強化相有WC、Fe3Ni2、W2C、Cr3C2、Cr2Ni3等；摩擦學性能測試實驗表明涂層材料大大提高了水刀噴嘴的耐磨性；顯微硬度實驗表明WC極大地提高了涂層的硬度，其平均值約為1 000 HV0.1，基體約為190 HV0.1.在水刀噴嘴內(nèi)孔成功制備了WC增強Ni基熔覆層，該熔覆層光滑平整，表面無明顯缺陷，與基體實現(xiàn)冶金結(jié)合，性能優(yōu)異.

高頻感應；擴散層；水刀噴嘴；耐磨性；強化相；顯微硬度

表面工程是為了滿足工程中的實際需要，而進行表面改性、表面熔覆等表面的處理，最終達到改變材料表面的組織結(jié)構、應力狀況、化學成分等目的的系統(tǒng)工程［1］.感應熔覆技術是將選定好的合金粉末涂覆到基體表面，利用高頻感應加熱設備把涂層熔覆到基體上，涂層與基體形成牢固的冶金結(jié)合，最終使基體材料具備涂層材料的性能［2］.

水刀切割技術是利用拉法爾噴嘴原理來實現(xiàn)的，將水流加壓到100 MPa以上經(jīng)出水口噴出，通過砂粒腔口，攜帶砂粒等高硬度顆粒經(jīng)由切割砂管通過極細的小孔噴出，對材料進行切割加工.由于水本身就有冷卻性能，所以水刀切割設備在切割加工件時不產(chǎn)生熱量，易于后續(xù)處理，成本低、安全性好.水刀切割可實現(xiàn)任意曲線的切割加工，小型的水刀切割設備方便靈活、用途廣泛［3］.目前，市場上現(xiàn)有的水刀噴嘴大部分是用人工寶石片制作的，但人造寶石裂紋較發(fā)散，缺陷率很高，常見的紅寶石內(nèi)部有很多的裂紋，即所謂的“十紅九裂”，在工作時伴隨有氣蝕現(xiàn)象.目前最好的水刀噴嘴使用壽命僅為40～60 h.本文用表面工程技術來改善水刀噴嘴的耐磨情況，選擇用高頻感應真空熔覆技術制作耐磨水刀噴嘴.

1 實 驗

1.1 水刀噴嘴原理

拉法爾噴嘴，又被稱做收斂擴散形噴管.一端為收縮管，一端為擴張管，如圖1所示，拉法爾噴嘴在收縮管端，水流不斷加速到音速.水流達到音速以后，在擴張管端，喇叭狀的開口再次讓管道變寬，水流壓強瞬間釋放，水流截面積變大，繼續(xù)加速超過音速.水刀切割機上的噴嘴就是采用這一原理把水速增加到幾倍音速以上，故水刀噴嘴形狀也被設計成了拉法爾噴嘴形狀.

圖1 拉法爾噴嘴示意圖Fig.1 The schematic of Laval nozzle

1.2 基體的選用

基體材料為304不銹鋼.其形狀尺寸如圖2所示，把涂層材料填充到中心孔內(nèi)，直徑為4 mm，最終形成位于試件中心的直徑為4 mm的涂層柱.

1.3 涂層材料與粘結(jié)劑

為了提高易損件材料的耐磨性、耐腐蝕性，往往選擇在基體表面熔覆一層鎳基合金、鈷基合金或金屬陶瓷等高硬度的合金粉末［4］.在合金粉末中添加一定比例的硬質(zhì)相，例如碳化物等，可以制成具有符合要求的高性能表面復合涂層［5］.易熔碳化鎢一般不直接用于制備碳化鎢耐磨涂層，但與鎳基自熔性合金在一起使用，使硬質(zhì)顆?？梢愿玫嘏c自熔性合金產(chǎn)生潤濕作用，使結(jié)合更加牢固［6］.由此，本實驗選用自溶性好且添加20% WC的Ni60A合金粉末作為涂層材料，Ni60A合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為0.5～1.1C，3.5～5.5Cr，15～20B，3～4.5Si，≤5Fe，余量為Ni.Ni基合金涂層具有耐腐蝕、耐磨損等性能，加入一定比例的碳化鎢粉末大大提高了涂層的硬度.

合金粉末要用粘結(jié)劑涂覆到基體上，很多材料都可選做粘結(jié)劑，如松節(jié)油和松香、酚醛樹脂和醋酸纖維素、水玻璃等［7－9］.本實驗選用松香和松節(jié)油的飽和溶液作為粘結(jié)劑.

1.4 實驗過程

1）實驗前處理：首先采用不同目數(shù)的砂紙從粗到細對待涂覆的表面進行打磨及拋光處理，并采用丙酮對試件進行清洗處理.然后將制得的涂層材料填充到直徑為4 mm的中心孔內(nèi)，考慮到加熱涂層熔化后會有一定的收縮率，所以填充涂層材料壓實后頂端多涂覆一些且形成突起，最后將試件放入烘干箱連續(xù)烘烤10 h，烘干溫度設定為120℃.

2）操作方法：啟動冷卻系統(tǒng)（綜合考慮冷卻效果后，最終選用水循環(huán)冷卻），啟動真空泵使真空度保持在15 Pa以下，打開高頻感應加熱設備.起始電流設定為400 A，保持此電流5 min，進行試件的預熱處理；把電流緩慢增加到600 A，保持此電流2 min；然后把電流緩慢穩(wěn)定到1 200 A，觀察到涂層基本已完全熔化，此時可關閉加熱設備.真空泵繼續(xù)運行，試樣在真空狀態(tài)下隨爐冷卻，約2 h后取出試樣.

圖2 水刀噴嘴尺寸圖Fig.2 The size of water nozzle chart

采用電火花成型機和小孔機對試件進行加工到規(guī)定尺寸，圖3是加工好的試件剖面圖，中間是涂層部分，經(jīng)過打磨、拋光、腐蝕處理后，涂層與基體結(jié)合面出現(xiàn)明顯的“亮帶”.

圖3 試件實物剖切面Fig.3 Cutaway chart of the physical specimen

1.5 分析測試方法

采用S－3500型掃描電子顯微鏡觀察合金涂層及擴散層的組織結(jié)構，分析不同部位涂層形成情況以及涂層與基體形成冶金結(jié)合的形貌.采用X射線衍射儀—Bruker D8 ADVANCE分析涂層中所生成的化合物種類.通過摩擦學性能測試實驗分別對涂層和基體材料進行摩擦系數(shù)和磨損檢測，選用UMT－3摩擦磨損實驗機，實驗對偶件選用陶瓷球（Si3N4），時間為30 min，運動方式是直線往復式，運動行程6 mm，運動頻率為2 Hz，施加載荷力為4 N，實驗環(huán)境模擬水刀噴嘴工作的真實環(huán)境，且保證實驗過程中陶瓷球與試件接觸在有水的環(huán)境中.選用FM－700型顯微硬度儀測試試樣的顯微硬度，選用載荷100 g的重量，在同一水平距離上分別測試3個點，通過加權平均取均值.比較涂層、過渡層及基體顯微硬度的分布情況，分析造成此現(xiàn)象的原因.

2 結(jié)果及分析

2.1 涂層微觀組織

掃描電子顯微鏡觀察最終加工的中心孔成型圖如圖4所示，試樣的擴散層組織形貌圖如圖5、6、7所示.由圖可知，試樣沿截面顯微組織的分布基本上分為：熔覆層、擴散層和基體.熔覆過程中，基體中的Fe元素向涂層中擴散，涂層中的Ni元素沿晶界向基體中擴散，擴散距離約為8～10 μm，此區(qū)域通常被稱為過渡區(qū)或者擴散層，在此區(qū)域Fe元素與Ni元素含量基本相同，涂層與基體形成了牢固的冶金結(jié)合.

圖4 涂層成型圖Fig.4 Forming of coating

經(jīng)過腐蝕處理的試件，在顯微鏡下可明顯觀測到過渡區(qū)中形成一條“亮帶”.由涂層的微觀形貌可知，涂層中存在少量的孔洞和缺陷，擴散層區(qū)域和涂層上表面區(qū)域孔洞和缺陷很少，主要集中在涂層中間部位（如圖4所示）.產(chǎn)生缺陷的原因是熔覆過程中有熔化不良或者未熔的顆粒夾雜在涂層中；產(chǎn)生孔洞的原因可能是在手工涂覆的過程中，涂層粉末相互接觸顆粒間仍存在孔隙，升溫熔覆時由于不同材料的磁導率不同，涂層與基體結(jié)合表面溫度最高，涂層顆粒融化，氣泡上升，加熱時間受限，涂層中間部位的氣泡來不及上升就留在了涂層的內(nèi)部，形成孔洞；另外，由于熱處理后涂層中粘結(jié)劑仍有殘留，其在高溫加熱過程中易揮發(fā)形成孔洞.根據(jù)以上原因可以推測加熱時間越長，涂層熔化越徹底，元素混合就越均勻，最終成形的涂層質(zhì)量就越好.但整個實驗過程中，加熱時間不易過長，試件長時間加熱，基體晶粒變得粗大，影響試件的性能［10］.優(yōu)化實驗參數(shù)，最終做出的涂層如圖6所示，沒有孔洞、缺陷的存在.

圖5 涂層中部組織形貌Fig.5 Microstructure of central coating

圖6 擴散層組織形貌Fig.6 Diffusion layer microstructure

圖7 擴散層組織形貌Fig.7 Diffusion layer microstructure

2.2 合金涂層的相結(jié)構分析

采用X射線衍射儀分析高頻感應溶覆涂層生成的相結(jié)構，如圖8所示，熔覆涂層是由Ni基體和彌散分布在其中的強化相組成，其中除了添加的WC以外，通過高頻感應真空熔覆加熱生成的強化相還有Fe3Ni2、W2C、Cr3C2、Cr2Ni3.

圖8 合金涂層X射線衍射圖Fig.8 Alloy coating X?ray diffraction pattern

通過高頻感應真空熔覆加熱生成的W2C、Fe3Ni2、Cr3C2、Cr2Ni3鑲嵌在Ni基涂層中，主要分布在晶界處，起到了耐磨骨架的作用.由于加熱時間長，所以有部分WC轉(zhuǎn)化成了W2C.這些硬質(zhì)相顆粒耐磨性能良好，對于Ni基涂層來說，起到了硬質(zhì)顆粒強化作用.WC的存在和Ni基形成了牢固的結(jié)合，與硬質(zhì)相共同抵抗外來的硬質(zhì)物體的摩擦和犁削.

2.3 摩擦學性能測試

實驗對偶件選用陶瓷球（Si3N4），時間為30 min，運動方式是直線往復式，添加載荷力為4 N，實驗環(huán)境模擬水刀噴嘴工作的真實環(huán)境，實驗中添加水使得陶瓷球與試件接觸在有水的環(huán)境中.

從圖9分析得出：基體（304不銹鋼）的摩擦系數(shù)為0.5左右，同樣條件下，而涂層的摩擦系數(shù)約為0.2.從實驗開始到結(jié)束，涂層的摩擦系數(shù)一直比較穩(wěn)定.

此摩擦學性能測試實驗表明 Ni60A添加20%WC合金粉末制得的涂層表面粗糙度適中，耐磨性能良好，摩擦系數(shù)與基體相比降低了約60%.摩擦系數(shù)的降低意味著涂層材料的粘附性降低，水刀噴嘴的工作介質(zhì)是普通水，工作介質(zhì)經(jīng)過進口喇叭嘴時壓強增大，涂層材料的低粘附性能夠使工作介質(zhì)順暢通過，大大避免了工作介質(zhì)內(nèi)雜質(zhì)的相互碰撞以及氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生.圖10是用粗糙度儀測量磨痕得出的劃痕波紋曲線圖，波紋的深度及寬度代表劃痕的深度及寬度，中間圍成的凹槽面積為劃去的面積.劃去的面積越小，說明材料的耐磨性能越好；反之，材料越不耐磨.基體磨去面積約為1 500 μm2，涂層磨去的面積約為75 μm2，基體磨去的面積約是涂層的20倍.從圖10中可以看出涂層比基體材料的耐磨性要好得多.

圖9 摩擦系數(shù)曲線圖Fig.9 Friction coefficient graph

圖10 劃痕波紋曲線圖Fig.10 Scratch corrugated graph

2.4 涂層的顯微硬度分析

在試件豎直方向上分別選擇頂部，中部和底部為測試區(qū)域（出水口區(qū)域定為試樣的頂部），制成顯微硬度分布圖可更直觀的分析試件的硬度分布情況.

如圖11所示，為便于實驗對比分析，選擇涂層外表面作為參考坐標，并設為零點坐標，從熔覆涂層向基體一側(cè)方向為正方向.由圖11可以看出，WC增強 Ni基熔覆層顯微硬度平均為1 000 HV0.1.從基體到涂層頂部顯微硬度呈逐漸增大的趨勢，3個不同部位的過渡層位置顯微硬度基本一致.3個部位的顯微硬度整體變化為試樣頂部的硬度最高，底部最低，從底部到頂部硬度呈逐漸增加的趨勢.在相同條件下，實驗測得基體的顯微硬度約為190 HV0.1.主要原因是在加熱熔覆時，鎳基合金粉末融化，向下流動，WC顆粒上浮到試樣的頂部，最終導致試樣頂部的顯微硬度最高，底部最低.現(xiàn)如今，由于紅寶石質(zhì)地堅硬，且人造紅寶石的硬度與涂層材料相比要高出很多倍，人造紅寶石已被用于水刀噴嘴上，但是，紅寶石沒有柔韌性，并且內(nèi)部有很多裂紋，很容易被超高速、超高壓強的工作介質(zhì)擊碎.涂層材料選用硬而柔韌的鎳基粉末，也是利用了Ni的柔韌性.為了提高涂層材料的硬度，可加入20%的WC.由圖11分析可知：某些測試點的顯微硬度很高，說明實驗測試過程中，主要原因是部分WC顆粒的分解，升溫加熱過程中分解出的W元素在快速冷卻過程中固溶于Fe原子中，形成固溶體［11］.另外，少量未分解的碳化鎢顆粒在冷卻凝固過程中被鑲嵌于組織中，測試點打在了碳化鎢顆粒上，形成了高硬度的測試數(shù)據(jù)［12－14］.水刀噴嘴的使用性能不僅僅是材料的硬度越高就越好，還要看材料的綜合力學性能，例如金屬材料的沖擊韌度、斷裂韌度及疲勞強度等.

圖11 試樣不同區(qū)域顯微硬度分布圖Fig.11 Microhardness distribution in different areas of specimen

3 結(jié) 論

1）在真空條件下，采用高頻感應熔覆技術，在水刀噴嘴內(nèi)孔成功制備了一層WC增強Ni基熔覆層，該熔覆層光滑平整，連續(xù)均勻，表面無明顯缺陷，與基體實現(xiàn)冶金結(jié)合.

2）運用X射線衍射儀分析高頻感應溶覆涂層生成的相結(jié)構，通過高頻感應真空熔覆加熱生成的強化相還有Fe3Ni2、W2C、Cr3C2、Cr2Ni3.

3）對比劃痕波紋曲線可知，涂層材料Ni60A＋20%WC合金粉末涂層大大提高了水刀噴嘴的耐磨性能，耐磨性能約為基體的20倍，摩擦系數(shù)降低了約60%.WC增強Ni基熔覆層顯微硬度平均為1 000 HV0.1，約是基體顯微硬度的5.26倍，耐磨性能優(yōu)異.

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（編輯 張積賓）

Ni60A＋20WC in water jet nozzle application process wear layer

LI Haichao，LIN Chen，ZHOU Changhuan，WANG Qingchun，ZHANG Juanjuan
（School of Mechanical Engineering，Qingdao Tachnological University，Qingdao 266300，China）

In this experiment，useing high?frequency induction cladding technology to improve the high?pressure water jet nozzle wear resistance.In this experiment，use 304 stainless steel plate as the base material，Ni60A＋20%WC alloy powder as a cladding material；respectively high frequency induction heating equipment，EDM machines and machine holes on the specimen is heated and processed into cladding predetermined size.Scanning electron microscope specimen microstructure was found to produce a diffusion layer between the coating and the substrate；the use of X?ray diffraction analysis of the coating phase structure，strengthening phase present in the coating have WC，F(xiàn)e3Ni2，W2C，Cr3C2，Cr2Ni3，et al；tribological performance test showed that the coating material greatly improves the wear resistance of the water jet nozzle；microhardness experiments show that WC greatly improve the hardness of the coating，the average is about 1 000 HV0.1，the matrix is about 190 HV0.1.In the waterjet nozzle holes successfully prepared WC reinforced Ni?based cladding layer，the cladding layer smooth surface no obvious defects，metallurgical bond with the substrate to achieve excellent performance.

high?frequencyinduction；diffusionlayer；waterjetnozzle；wearresistance；reinforced phase；microhardness

TG146.1

A

1005－0299（2016）06－0079－06

2016－07－26.

李海潮（1988—），男，碩士研究生.

林 晨，E?mail：1346809059＠qq.com.

10.11951/j.issn.1005－0299.20160614