金屬-陶瓷復(fù)合涂層的組織與磨損性能研究

韓玉良董艷春閻殿然

(1中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司 河北邢臺(tái) 054025) (2河北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 天津 300130)

金屬-陶瓷復(fù)合涂層的組織與磨損性能研究

韓玉良1董艷春2閻殿然2

(1中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司 河北邢臺(tái) 054025) (2河北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 天津 300130)

利用等離子噴涂方法制備出N i60+N i/WC金屬陶瓷復(fù)合涂層,分析了復(fù)合涂層的微觀組織,采用自行設(shè)計(jì)并制造的多用磨損試驗(yàn)機(jī),研究了金屬陶瓷復(fù)合涂層的磨損性能。研究發(fā)現(xiàn)加入適量的N i/W C,可以提高涂層的耐磨性,復(fù)合涂層磨損失效形式為微觀切削、犁溝塑性變形、微觀斷裂(剝落)磨損和疲勞磨損機(jī)理。

N i60 金屬陶瓷復(fù)合涂層 磨損性能

摩擦磨損是材料失效的主要形式[1],隨著科技的進(jìn)步,新技術(shù)不斷被采用,材料的服役條件越來越苛刻,對(duì)材料提出了新的要求。材料的摩擦磨損形式更加復(fù)雜,特別是磨蝕共存的狀態(tài)下對(duì)材料的性能要求更高,例如泥漿泵的過流部件,水和漿料共同磨損。等離子噴涂是一種先進(jìn)的涂層制備方法,可根據(jù)工件表面性能的要求,通過等離子噴涂相應(yīng)的金屬粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、非金屬礦物以及復(fù)合粉末材料等[2],可在常規(guī)金屬材料表面獲得各種特殊性能的涂層,其涂層厚度按需要控制,誤差可控制在-0.025mm～+ 0.025mm[3～4]。在泵的易磨損表面噴涂耐磨涂層,可以有效提高易磨損部位的耐磨性,可大大提高泵的壽命。因此,筆者研究了在金屬材料表面制備N i60+ N i/WC金屬-陶瓷復(fù)合涂層,以及固液共存條件下涂層的摩擦磨損行為。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)方法

采用50kW的等離子噴涂設(shè)備,BT-G3型等離子噴槍,采用槍外送粉方式噴制涂層。試樣基體為Q235熱軋鋼板。試樣尺寸為20mm×25mm×3mm,試樣的待噴表面經(jīng)過噴砂或用粗砂輪打磨除去鐵銹,使試樣表面粗化以提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。然后,再在粗化面上依次噴涂粘結(jié)底層及表面涂層。涂層厚度為0.4～0.6mm。磨損、腐蝕磨損試驗(yàn)均在自行研制的多用磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,設(shè)備示意圖如圖1所示。磨損試驗(yàn)采用環(huán)塊相對(duì)滑動(dòng)對(duì)磨的方式:試塊固定不動(dòng),通過對(duì)磨環(huán)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。磨損實(shí)驗(yàn)所用對(duì)磨環(huán)的材料為GCr15,硬度HRC60,尺寸為φ37mm×10mm。所加載荷為36.3N,試樣與對(duì)磨環(huán)接觸面的相對(duì)滑動(dòng)線速度為0.278m/s。磨粒磨損采用濕磨,磨料采用粒度為80目的SiO2和水(30%)形成的中性砂漿。

涂層試樣的金相分析采用PH IL IPSXL30/TM P型掃描電鏡。同時(shí)借助X-射線能譜分析儀,進(jìn)行組織中各點(diǎn)、線、面的元素分析。涂層及粉末的物相分析用PH IL IPSX-PertM PD型X-射線衍射儀。

1.2 試驗(yàn)材料

粘結(jié)底層采用N i/A l(粒度為160～320目)合金粉。耐磨涂層選用材料為N i60,成份見表1。

圖1 多用磨損試驗(yàn)機(jī)設(shè)備示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)用N i60粉末成分(質(zhì)量%)

為了增強(qiáng)鎳基自熔性合金涂層的耐磨性能,將一定比例的N i/WC加入到N i60合金中,N i/WC粉的粒度為150～300目。N i/W C成分見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)用N i/WC粉末成分(質(zhì)量%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鎳基自熔合金涂層的顯微組織與物相分析

圖2是N i60自熔性合金涂層表面形貌的SEM照片,可見,涂層組織為在基體上分布著少量第二相顆粒,基體的硬度為HV 760,第二相的硬度為HV 1300。圖3為涂層的X-射線衍射結(jié)構(gòu)分析。由圖3可看出,N i60自熔性合金涂層是由FeN i3、N i3B、C r7BC4等相組成,基體相為FeN i3,其余為第二相。圖4是N i60 +25%N i/WC復(fù)合涂層表面形貌的掃描電鏡照片,復(fù)合涂層是在基體上分布著一些白色顆粒及帶狀的第二相,對(duì)第二相進(jìn)行X-射線衍射分析可知,第二相主要由W 2C構(gòu)成(見圖5所示)。

圖6是N i60與不同含量WC復(fù)合涂層的磨損失重隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線,在漿料磨損過程中,WC含量較低時(shí),隨著WC陶瓷含量的增加,涂層的耐磨性逐漸增強(qiáng),25%WC+N i60涂層的耐磨性明顯好于N i60合金涂層,10%WC+N i60涂層的耐磨性介于N i60合金和25%WC+N i60兩種涂層之間,其磨損特性曲線略接近于N i60合金涂層的磨損特性曲線。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)50%WC+N i60合金涂層表現(xiàn)出了極高的脆性,在磨損中表現(xiàn)出大面積剝落,且涂層很快就會(huì)被磨穿,說明此種涂層耐磨粒磨損性能較差。

圖7是N i60自熔性合金和N i60+10%N i/WC、N i60+25%N i/W C涂層試樣的磨粒磨損形貌圖。由圖7可看出:涂層磨粒磨損機(jī)理主要是磨粒對(duì)材料基體相的微切削過程;N i60自熔性合金涂層的磨損形貌與WC/N i60有所不同,N i60試樣的磨損表面有較為明顯的塑性變形溝槽,還有少量的小塊的剝落坑;而在N i60+10%N i/WC涂層試樣的磨損形貌照片中可看到較短淺的犁溝和塑性變形槽,少量的剝落坑;在N i60+25%N i/WC涂層試樣的磨損形貌照片中,犁溝和塑性變形槽都明顯變淺變少,還可發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)顆粒的剝落坑,在上述涂層的磨損面上均未發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展性裂紋。這3種涂層的磨損破壞形式是一樣的,但以N i60+ 25%N i/WC的磨損痕跡最不明顯。

在WC/N i60涂層中WC顆粒和其它硬質(zhì)相彌散分布,提高了基體的硬度和強(qiáng)度,使得磨粒不易嵌入基體,也有效地阻止鋒利的磨粒對(duì)材料基體的微觀切削過程,同時(shí)也有效地保護(hù)了WC賴以存在的基礎(chǔ)。WC硬質(zhì)點(diǎn)的存在還可使部分磨粒在與硬質(zhì)相的摩擦和碰撞擠壓中被磨鈍或破碎,從而降低了磨粒的磨削性能。因此,就N i60和N i60+N i/WC涂層比較而言,N i60+ N i/W C涂層具有更好的耐磨粒磨損性能。但WC硬質(zhì)相的含量必須適中,含量過少,對(duì)基體的強(qiáng)化作用不明顯,對(duì)微切削的阻礙作用較弱;但若含量過多,如N i60+50%N i/WC涂層,基體對(duì)WC硬質(zhì)點(diǎn)不能起到有效的鑲嵌作用,在磨損過程中W C極易剝落,從而也失去了對(duì)微切削的有效阻礙作用,使耐磨粒磨損性能下降。

綜上所述,①N i60+N i/WC復(fù)合涂層微觀組織為FeN i3基體上分布著一些N i3B、Cr7BC4、W2C第二相。②N i60+25%N i/WC復(fù)合涂層的耐磨性最好,如果WC的含量過高,基體對(duì)WC硬質(zhì)點(diǎn)不能起到有效的鑲嵌作用,磨損性能下降。③復(fù)合涂層的磨損機(jī)理是磨粒磨損,即微觀切削機(jī)理和犁溝塑性變形機(jī)理,前者為主要磨損機(jī)理。

1 周仲榮.摩擦學(xué)發(fā)展前沿.北京:科學(xué)出版社,2006

2 高榮發(fā).熱噴涂.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1992

3 Sm ith RW.Plasm a sp raying p rocess.Plasm aTechnik Symposium,1991(1):17～18

4 何洪泉,王峰,張?zhí)m.熱噴涂系列綜述之一:等離子噴涂.山東陶瓷,2005,28(3):14～17