熔射塗層技術在抗磨耗上之應用(下)

刊登日期:2016/12/5
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各種工業所使用的機械零件,磨耗一直是工程師所頭痛的問題,因為機械零件的磨耗損失會造成使用壽命縮短。磨耗問題在工業應用上普遍存在,科學家與工程師們很早就注意到此問題,而且機械零件所造成的磨損已對各種工業造成損失。

工業應用所使用的材料,材料表面的機械性質會直接影響機械零件的使用壽命,所以藉由對材料表面性質之改善,可以延長機械零件的使用壽命;利用熔射覆膜技術在材料表面製作抗磨耗塗層,可以改善機械零件表面的抗磨耗性質,提高產品的使用壽命。
 
磨耗
兩個物體作相對運動時,物體表面因為相互間的滑動或滾動,會產生所謂的摩擦(Friction)與磨耗(Wear)現象。摩擦過程通常會引發能量的轉移,而磨耗則會造成材料的耗損。一般來說,我們可以將磨耗區分為五種類型,分別為磨損、侵蝕、粘著、腐蝕和表面疲勞等磨耗。
 
熔射抗磨耗塗層
熔射技術是藉由熱能的加熱將材料加熱熔融後,噴覆至基材表面形成塗層的一種表面塗層製作技術,目的是將塗層材料噴覆於另一種材料表面上。塗層和基材間之材料並不像銲接技術需要材質相近的關聯性,所以熔射塗層可以製作於不同材質的基材上,例如,將陶瓷材料製作在金屬基材上;或是將不鏽鋼材料製作在鋁合金基材上,兩種材料之間並沒有明顯的關聯性,圖三為熔射技術示意圖。

應用熔射覆膜技術於機械零組件上噴塗抗磨耗塗層已有相當多的使用案例,另外,在機械零件的抗腐蝕、修補及尺寸恢復上,也常使用熔射技術進行塗層製作,大部分藉由熔射技術修補過後之機件,通常都比原來新品的零件還要耐用,且壽命更為長久。




圖三、熔射技術示意

 
碳化鎢-鈷抗磨耗塗層
碳化鎢-鈷抗磨耗塗層是熔射技術常用的抗磨耗塗層,常被用來取代鍍硬鉻處理。藉由熔射技術所製作之碳化鎢-鈷(WC-Co)塗層,到目前為止已廣泛地應用於工業界,應用的範圍包括抗磨損、滑動、摩擦及侵蝕等。

在常見的碳化鎢-鈷塗層中,一般是以碳化鎢硬質顆粒為主要的抗磨耗材料,而其中的鈷金屬,則主要提供碳化鎢顆粒黏結作用,並且提供適當的支撐強度以作為塗層的基底。碳化鎢-鈷塗層性質中的硬度、抗磨耗性及韌性,主要受到碳化鎢晶粒大小及體積分量的影響,以熔射碳化鎢-鈷塗層而言,也受到孔隙率及鈷金屬黏結相成分的影響。




圖九、高速火焰熔射碳化鎢-鈷塗層外觀(左半部碳鋼基材未製作塗層,右半部是已製作碳化鎢-鈷之塗層)

2. 碳化鎢-鈷塗層結構
碳化鎢-鈷材料藉由電漿熔射製作成為塗層後,鈷黏結相的微結構呈現層狀結構分布;而藉由高速火焰熔射所製作的塗層,層狀結構的鈷黏結相則較不明顯,微結構較接近碳化鎢-鈷燒結金屬相分布。碳化物相主要分散於金屬黏結材料間,而碳化物相的大小則由原料及熔射法所決定。

在熔射塗層的製作過程中,針對碳化鎢-鈷材料部分的主要考量因素為熔射過程中熱的影響,因為碳化鎢-鈷粒子在熔射過程中,會由於高溫的加熱熔融,造成碳化鎢-鈷材料物理及化學性質上的改變。一般常見的熔射用碳化鎢-鈷粉末,通常只含有純碳化鎢和純鈷的金屬黏結相,然而在熔射過程中的高溫加熱熔融,會使得碳化鎢裂解為碳化二鎢或鎢,部分的碳化鎢可能會溶解於鈷金屬中形成鈷-鎢-碳的三元合金相。
 
4. 熔射參數對碳化鎢-鈷塗層性質的影響
熔射碳化鎢-鈷塗層的沉積,是藉由熔射槍的高溫熔融黏結金屬鈷,並希望碳化鎢顆粒維持在固態的狀況下,盡量降低碳化鎢相的裂解,以得到最佳品質的碳化鎢-鈷塗層,碳化鎢的顆粒大小與鈷的含量及熔融狀況,將會影響塗層的沉積狀況。。在黏結金屬鈷熔融成為液態且碳化鎢顆粒仍為固態的狀況下,圖十四為在高速火焰熔射過程中,碳化鎢顆粒大小對塗層造成的影響示意圖。
 
5. 熔射微米及奈米級碳化鎢-鈷對塗層性質及微結構之影響
碳化鎢-鈷和碳化鉻-鎳鉻是目前熔射塗層使用最多的硬面塗層材料,碳化鎢-鈷硬面塗層相關的成分、微結構及性質等資訊,已有相當多的研究資料發表。根據研究資料的結果顯示,影響碳化鎢-鈷塗層磨耗性質的因素,包括碳化鎢和鈷黏結金屬的成分、碳化鎢顆粒大小與分布、合金的相與結構等。以碳化鎢-鈷硬面塗層材料而言,塗層的硬度隨著碳化鎢顆粒下降而上升,鈷黏結金屬的含量下降也會使得塗層硬度上升,主要是由於……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:蕭威典、劉武漢 / 工研院材化所           
★本文節錄自「工業材料雜誌」359、360期,更多資料請見下方附檔。
 
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