Structure and properties of WC-10Co4Cr coatings obtained with high velocity atmospheric plasma spraying

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Carbon steel is often used for the manufacture of various machine parts, but its operation in aggressive conditions (operation of steel parts under conditions of wear, high temperatures and aggressive corrosive environments) contributes to an extreme decline in properties, up to failure. To solve this problem the modification of the working surfaces of steel parts can be used. It increases its wear resistance, corrosion resistance, and service life. Metal-ceramic coatings based on WC are often used to improve the hardness, wear resistance and corrosion resistance of steel parts. The work purpose is to study the effect of high velocity atmospheric plasma spraying (HV-APS) modes on the structure, phase composition and properties of WC-Co coatings. Materials and methods. 86% WC-10% Co-4% Cr coatings were deposited on a mild steel substrate with help of the HV-APS method. The structure and phase composition of the coatings were analyzed using optical microscopy, scanning electron microscopy, and X-ray phase analysis. In addition, the results of measurements of porosity, microhardness, wear resistance, as well as a qualitative assessment of the adhesion are shown in this paper. Results and discussion. It is shown that all coatings are characterized by high density, absence of cracks and oxide films. Using the SEM and XRD methods, it is found that the coatings contain WC and W2C particles uniformly distributed in the metal matrix. The matrix is an amorphous or nanocrystalline supersaturated Co(W,C) solid solution. The maximum amount of carbides (49%) is observed in coatings obtained by deposition from a distance of 170 mm, arc current — 140 A; the minimum (25%) is observed in coatings obtained by deposition from a distance of 250 mm, arc current — 200 A. The coatings with the maximum amount of carbides have the maximum values of microhardness (1,284 HV0.1) and wear resistance. It is established that all coatings are characterized by high adhesion.

About the authors

E. E. Kornienko

Email: e.kornienko@corp.nstu.ru
Ph.D. (Engineering), Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, e.kornienko@corp.nstu.ru

I. P. Gulyaev

Email: gulyaev@itam.nsc.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, gulyaev@itam.nsc.ru

V. I. Kuzmin

Email: vikuzmin57@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, vikuzmin57@mail.ru

A. S. Tambovtsev

Email: alsetam123@icloud.com
Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, alsetam123@icloud.com

P. A. Tyryshkin

Email: pavel99730@gmail.com
Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, pavel99730@gmail.com

References

  1. Surface modification of air plasma spraying WC–12%Co cermet coating by laser melting technique / M. Afzal, M. Ajmal, A. Nusair Khan, A. Hussain, R. Akhter // Optics Laser. – 2014. – Vol. 56. – P. 202–206. – doi: 10.1016/j.optlastec.2013.08.017.
  2. Microstructure and cavitation erosion behavior of WC-Co-Cr coating on 1Cr18Ni9Ti stainless steel by HVOF thermal spraying / Y. Wu, S. Hong, J. Zhang, Z. He, W. Guo, Q. Wang, G. Li // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2012. – Vol. 32. – P. 21–26. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2012.01.002.
  3. Interdependence of slurry erosion wear performance and residual stress in WC-12wt%Co and WC-10wt%VC-12wt%Co HVOF coatings / A.M. Venter, V. Luzin, D. Maraisa, N. Sacks, E.N. Ogunmuyiwa, P.H. Shipway // International Journal Refractory Metals and Hard Materials. – 2020. – Vol. 87. – P. 105101. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2019.105101.
  4. Mechanical properties of WC-Co coatings with different decarburization levels / X. Wu, Z.M. Guo, H.B. Wang, X.Y. Song // Rare Metals. – 2014. – Vol. 33, iss. 3. – P. 313–317. – doi: 10.1007/s12598-014-0257-8.
  5. Microstructure and wear behavior of conventional and nanostructured plasma-sprayed WC-Co coatings / E. Sanchez, E. Bannier, M.D. Salvador, V. Bonache, J.C. Garc?a, J. Morgiel, J. Grzonka // Journal of Thermal Spray Technology. – 2010. – Vol. 19, iss. 5. – P. 964–974. – doi: 10.1007/s11666-010-9480-5.
  6. Liu S.L., Zheng X.P., Geng G.Q. Influence of nano-WC-12Co powder addition in WC–10Co–4Cr AC-HVAF sprayed coatings on wear and erosion behavior // Wear. – 2010. – Vol. 269, iss. 5–6. – P. 362–367. – doi: 10.1016/j.wear.2010.04.019.
  7. Wear resistance enhancement of HVOF-sprayed WC-Co coating by complete densification of starting powder / H. Wang, Q. Qiu, M. Gee, C. Hou, X. Liu, X. Song // Materials and Design. – 2020. – Vol. 191. – P. 108586. – doi: 10.1016/j.matdes.2020.108586.
  8. Influence of the handling parameters on residual stresses of HVOF-sprayed WC-12Co coatings / U. Selvadurai, P. Hollingsworth, I. Baumann, B. Hussong, W. Tillmann, S. Rausch, D. Biermann // Surface and Coatings Technology. – 2015. – Vol. 268. – P. 30–35. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.11.055.
  9. Ghadami F., Sohi M.H., Ghadami S. Effect of bond coat and post-heat treatment on the adhesion of air plasma sprayed WC-Co coatings // Surface and Coatings Technology. – 2015. – Vol. 261. – P. 289–294. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.11.016.
  10. Yin B., Zhou H.D., Yi D.L. Microsliding wear behavior of HVOF sprayed conventional and nanostructured WC-12Co coatings at elevated temperatures // Surface Engineering. – 2010. – Vol. 26, iss. 6. – P. 469–477. – doi: 10.1179/026708410X12506870724352.
  11. Effects of the dispersion time on the microstructure and wear resistance of WC/Co-CNTs HVOF sprayed coatings / M.A. Rodriguez, L. Gil, S. Camero, N. Freґty, Y. Santana, J. Caro // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 258. – P. 38–48. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.10.014.
  12. Effects of WC-Ni content on microstructure and wear resistance of laser cladding Ni-based alloys coating / C. Guo, J. Chen, J. Zhou, J. Zhao, L. Wang, Y. Yu, H. Zhou // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 206. – P. 2064–2071. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2011.06.005.
  13. Effect of WC-12Co content on wear and electrochemical corrosion properties of Ni-Cu/WC-12Co composite coatings deposited by laser cladding / J. Zhang, J. Lei, Z. Gu, F. Tantai, H. Tian, J. Han, Y. Fang // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 393. – P. 125807. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.125807.
  14. Jalali Azizpour M., Tolouei-Rad M. The effect of spraying temperature on the corrosion and wear behavior of HVOF thermal sprayed WC-Co coatings // Ceramics International. – 2019. – Vol. 45, iss. 11. – P. 13934–13941. – doi: 10.1016/j.ceramint.2019.04.091.
  15. HVOF sprayed WC-Co coatings: microstructure, mechanical properties and friction moment prediction / T. Sahraoui, S. Guessasma, M. Ali Jeridane, M. Hadji // Materials and Design. – 2010. – Vol. 31, iss. 3. – P. 1431–1437. – doi: 10.1016/j.matdes.2009.08.037.
  16. He J., Schoenung J.M. A review on nanostructured WC-Co coatings // Surface and Coatings Technology. – 2002. – Vol. 157, iss. 1. – P. 72–79. – doi: 10.1016/S0257-8972(02)00141-X.
  17. Simultaneous increase of friction coefficient and wear resistance through hvof sprayed WC-(nano WC-Co) / P.H. Gao, B.Y. Chen, W. Wang, H. Jia, J.P. Li, Z. Yang, Y.C. Guo // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 363. – P. 379–389. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2019.02.042.
  18. Ghosh G., Sidpara A., Bandyopadhyay P.P. Understanding the role of surface roughness on the tribological performance and corrosion resistance of WC-Co coating // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 378. – P. 125080. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2019.125080.
  19. Dent A.H., Palo S., Sampath S. Examination of the wear properties of HVOF sprayed nanostructured and conventional WC-Co cermets with different binder phase contents // Journal of Thermal Spray Technology. – 2002. – Vol. 11 (4). – P. 551–558. – doi: 10.1361/105996302770348691.
  20. Baik K.H., Kim J.H., Seong B.G. Improvements in hardness and wear resistance of thermally sprayed WC-Co nanocomposite coatings // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 449–451. – P. 846–849. – doi: 10.1016/j.msea.2006.02.295.
  21. Интерметаллидные покрытия Al3Ti, сформированные при помощи холодного газодинамического напыления и термической обработки / Е.Е. Корниенко, А.Д. Вялова, В.С. Шикалов, В.Ф. Косарев, Т.М. Видюк // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 1. – С. 80–89. – doi: 10.17212/1994-6309-2020-22.1-80-89.
  22. Quantitative evaluation of the decarburization and microstructure evolution of WC-Co during plasma spraying / Q. Zhan, L. Yu, F. Ye, Q. Xue, H. Li // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 206. – P. 4068–4074. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2012.03.091.
  23. Decarburization mechanisms of WCeCo during thermal spraying: insights from controlled carbon loss and microstructure characterization / J. Yuan, Q. Zhan, J. Huang, S. Ding, H. Li // Materials Chemistry and Physics. – 2013. – Vol. 142. – P. 165–171. – doi: 10.1016/j.matchemphys.2013.06.052.
  24. FIB-SEM sectioning study of decarburization products in the microstructure of HVOF-sprayed WC-Co coatings / V. Katranidis, S. Gu, D.C. Cox, M.J. Whiting, S. Kamnis // Journal of Thermal Spray Technology. – 2018. – Vol. 27. – P. 898–908. – doi: 10.1007/s11666-018-0721-3.
  25. Fu D., Xiong H., Wang Q. Microstructure evolution and its effect on the wear performance of HVOF-sprayed conventional WC-Co coating // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2016. – Vol. 25. – P. 4352–4358. – doi: 10.1007/s11665-016-2278-y.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».