添加劑銅對等離子噴涂WC-12Co涂層摩擦磨損性能的影響研究

趙艷艷

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院,遼寧 興城 125005）

熱噴涂WC-Co涂層憑借良好的性能優(yōu)勢在諸多行業(yè)中實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模化普及與應(yīng)用[1-3]。概括來講，WC-Co涂層具有特殊的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，不僅擁有金屬鈷的黏結(jié)相，還擁有高硬度的硬質(zhì)相，涂層結(jié)構(gòu)緊湊且密實(shí)，關(guān)鍵是能與基體充分、高效結(jié)合，所以在抗粘著磨損性能方面表現(xiàn)出無與倫比的強(qiáng)大優(yōu)勢[4]。嚴(yán)格按照混合比將銅粉與WC-12Co粉末相混合，利用當(dāng)前頗受人們推崇與認(rèn)可的等離子噴涂方法來制取涂層，結(jié)果證實(shí)，銅粉可使WC-Co涂層的孔隙率大幅下降，也能增強(qiáng)涂層組織的緊湊性與密實(shí)性，本文在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究添加銅粉后WC-12Co涂層的摩擦系數(shù)變化規(guī)律及其耐磨性變化，除此之外，還對涂層的磨損機(jī)制進(jìn)行了全面深入地分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

在本實(shí)驗(yàn)中，筆者使用了兩種不同性質(zhì)的粉末，一種是陶瓷粉末WC-12Co（其中Co占比為12%），粒度尺寸介于45μm～75μm區(qū)間內(nèi)，它是典型的燒結(jié)破碎粉；另一種是電解銅粉Cu180，粒度尺寸介于45μm～75μm區(qū)間。值得一提的是，在本實(shí)驗(yàn)中，筆者嚴(yán)格按照9∶1的體積比來混合這兩種粉末，其中Cu180的體積占比為10%。

選用環(huán)塊對磨法進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范地實(shí)驗(yàn)。關(guān)于摩擦環(huán)基體，實(shí)驗(yàn)選取了綜合力學(xué)性能優(yōu)良的45#鋼，試樣尺寸如下：內(nèi)徑D1=16mm，外徑D2=40mm，厚度H=10mm；對偶件由45#鋼制備而成，體積為（100×10×10）mm； 在保證噴涂表面無任何雜質(zhì)、灰塵的情況下才能開展噴涂作業(yè)。

經(jīng)多方面對比與分析之后，筆者決定在本實(shí)驗(yàn)中選用等離子噴涂裝置PlasmaLE-15，并嚴(yán)格按照表1設(shè)定的工藝參數(shù)來制取涂層。其中，涂層厚度為h=2mm，噴涂后的摩擦環(huán)試樣如圖1所示。在進(jìn)行噴涂處理后，需要嚴(yán)格按照相關(guān)流程和要求對摩擦環(huán)以及對偶件涂層表面進(jìn)行科學(xué)合理地磨削加工，本實(shí)驗(yàn)通過型號(hào)為HW-T6000的粗糙度儀對其表面粗糙度進(jìn)行精準(zhǔn)便捷地測量，通過測量發(fā)現(xiàn)，磨削處理后的涂層表面粗糙度為Ra=0.75～0.95μm。

表1 噴涂工藝參數(shù)

在磨損實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，本文選取了性能可靠且操作便捷的MM-200型環(huán)塊滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)設(shè)置如下：于干摩擦環(huán)境完成對摩擦系數(shù)的精準(zhǔn)化、高效化測量，法向載荷為50N，下試樣轉(zhuǎn)數(shù)為200r/min，時(shí)間為5min；同樣于干摩擦環(huán)境測量磨損失重，法向載荷依次設(shè)定為 50N、60N、70N、80N，下試樣轉(zhuǎn)數(shù)為 100r/min，時(shí)間20min。

圖1 摩擦環(huán)結(jié)構(gòu)

圖2 MM-200摩擦磨損實(shí)驗(yàn)原理圖

本實(shí)驗(yàn)將通過備受業(yè)內(nèi)人士推崇和青睞的稱重法對噴涂試樣的磨損失重進(jìn)行高效、精準(zhǔn)地測量，選擇了BS224S型電子天平，其精度可達(dá)0.0001g；關(guān)于對偶件表面的磨痕情況，本實(shí)驗(yàn)將通過Philips-XL30掃描電鏡展開精準(zhǔn)合理地顯微分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 涂層的摩擦系數(shù)

結(jié)合已確定的摩擦力矩，通過式（1）推導(dǎo)出涂層的摩擦系數(shù)。

其中：

μ——摩擦系數(shù)

T——摩擦力矩（標(biāo)尺上讀取的力矩值，公斤·厘米/N·cm）

Q——摩擦力（公斤/N）

P——試樣所承受垂直負(fù)荷（標(biāo)尺上讀取的負(fù)荷，公斤/N）

表2清晰直觀地展示了WC-12Co加入不同含量銅粉涂層時(shí)所對應(yīng)的摩擦系數(shù)值。

表2 銅含量不同時(shí)涂層的摩擦系數(shù)

由上述分析得知，在銅粉添加量不斷增加的情況下，涂層的摩擦系數(shù)也會(huì)隨之下降。這是由于銅有良好的延展性，屬于減磨材料，且其摩擦系數(shù)低。

2.2 涂層的耐磨性能

摩擦環(huán)選取了10%Cu-WC-12Co、WC-12Co這兩種涂層，對其在不同載荷下所對應(yīng)的磨損失重情況進(jìn)行全面細(xì)致地比較分析，同時(shí)對磨損失重和時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了深入分析。以下兩表分別揭示了上述兩種涂層的磨損失重和時(shí)間、載荷之間的關(guān)系。

表3 兩種不同成分的涂層隨時(shí)間增加的磨損失重

表4 兩種不同成分的涂層隨載荷增加的磨損失重

由表3可以得出，隨時(shí)間的增加，無論是10%Cu-WC-12Co涂層，還是WC-12Co涂層，它們的磨損失重均慢慢地降低，在首個(gè)5min時(shí)，磨損失重達(dá)到最大值，在此之后，逐步降低并趨于穩(wěn)態(tài)。其原因在于在摩擦初期，被磨表面正處于咬合時(shí)期，表面比較粗糙，隨著時(shí)間的延長，摩擦逐步穩(wěn)定，所以，在時(shí)間延長的過程中，磨損失重的降幅逐步降低。相較于10%Cu-WC-12Co來講，WC-12Co涂層的磨損失重程度略小。

根據(jù)表4能夠清晰直觀地了解到，在法向載荷逐步增大過程中，無論是10%Cu-WC-12Co涂層，還是涂層WC-12Co，它們的磨損失重均持續(xù)增大，在載荷發(fā)生變化的情況下，相較于10%Cu·WC-12Co來講，WC-12Co涂層的磨損失重程度略小。添加適量的銅粉能夠在一定程度上降低涂層摩擦系數(shù)，但是由于添加銅粉硬度的下降，導(dǎo)致涂層的耐磨性降低。

2.3 摩擦磨損機(jī)理

等離子噴涂制備WC-CO涂層是由WC硬質(zhì)顆粒彌散強(qiáng)化的金屬陶瓷涂層，在出現(xiàn)磨損的情況下以粘著磨損為主，承受大部分機(jī)械應(yīng)力的微突體主要以WC硬質(zhì)顆粒為主[5-7]。

復(fù)合涂層材料的磨損是一個(gè)多方因素協(xié)同參與的復(fù)雜過程，在磨損初期，第一個(gè)發(fā)生的肯定是選擇性磨損，促使包括黏結(jié)相Co等在內(nèi)的較軟相逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?。碳化鎢顆粒就會(huì)表面凸起，成為非常硬實(shí)的骨架，由此也就能起到保護(hù)基體的作用。與此同時(shí)，凸起WC顆粒會(huì)受到外部作用力影響，而硬度相對比較高的WC小質(zhì)點(diǎn)內(nèi)位錯(cuò)密度也會(huì)相應(yīng)增大，待達(dá)到一定水平時(shí)，就容易形成小裂紋，隨著磨損力度的不斷增大，這些小裂痕就會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，由此造成顆粒變?yōu)槟バ糩8]。被打碎的WC顆粒一般至少有一般會(huì)殘存于磨損區(qū)，并慢慢地演變?yōu)槟チ！Ｓ捎诨w材料變形程度比較高，所以，磨粒就會(huì)在外部作用力的驅(qū)使下，壓入表面形成切削，從而引發(fā)新變形和破碎。

碳化鎢顆粒從磨損表面以一種較慢的速度輕微突出并成為硬度較高的骨架，有助于防止基板過于磨損。在此情況下，外力施加于凸WC顆粒上，導(dǎo)致后者的位錯(cuò)密度驟升。待位錯(cuò)密度升高至某值時(shí)，小WC顆粒表面會(huì)出現(xiàn)細(xì)小裂紋。受不間斷磨損的影響，細(xì)小裂紋會(huì)順WC晶界進(jìn)一步變大、變深，由此造成微脆性斷裂，繼而產(chǎn)生磨屑[8]。大部分破碎的WC顆粒保留在磨損區(qū)域中并轉(zhuǎn)化為磨料顆粒。因基質(zhì)材料發(fā)生較大變形，載荷主要集中于磨粒上，于是磨粒會(huì)被壓入表面并發(fā)生微切削現(xiàn)象，以此產(chǎn)生新的塑性變形并導(dǎo)致硬質(zhì)相斷裂。

圖3 載荷50N時(shí)WC-12CO對偶涂層表面磨痛SEM形貌

圖4 載荷80N時(shí)WC-12Co對偶件涂層表面磨痕SEM形貌

圖5 載荷50N時(shí)10%CU-WC-12CO對偶涂層表面磨痛SEM形貌

圖4 載荷80N時(shí)0%CU-WC-12CO對偶件涂層表面磨痕SEM形貌

圖3和圖4分別是載荷50N、80N時(shí)與WC-12Co涂層對磨的涂層表面磨痕的SEM形貌，認(rèn)真觀察上述兩圖能夠發(fā)現(xiàn)，它們均存在著平行分布的犁溝，而這即意味著涂層在受到摩擦磨損的情況下出現(xiàn)了塑性變形，使兩個(gè)潔凈接觸表面粘著，受外力的影響，作為粘著點(diǎn)的WC硬質(zhì)顆粒由于被剪掉而導(dǎo)致材料向其他位置遷移，從而形成剝落坑。在載荷為80N的情況下，因表面受到的壓力不斷增大，所以，涂層中犁溝變得愈來愈明顯，且導(dǎo)致涂層呈片狀剝落的現(xiàn)象進(jìn)一步加劇。

圖5和圖6分別展示了載荷為50N、80N時(shí)、10%Cu-WC-12Co涂層對偶涂層表面磨痕的形貌，在載荷為50N的情況下，可在圖中清楚直觀地看到呈平行狀態(tài)分布的犁溝，比圖3涂層中的剝落磨屑明顯更多一些。在載荷為80N的情況下，因磨損程度過大，很難看出犁溝，表面基本上被團(tuán)霧狀磨屑所覆蓋，而這即意味著磨損過于嚴(yán)重。加入銅粉會(huì)減弱涂層的耐磨性，并使其摩擦系數(shù)變小。

3 結(jié)論

1）10%Cu-WC-12Co涂層/WC-12Co涂層摩擦副與WC-12Co涂層/WC-12Co涂層摩擦副的磨損基本上都屬于粘著磨損，微突體是WC粒子。前者因添加了銅粉，所以磨痕表面覆蓋了團(tuán)霧狀磨屑，而后者則磨痕清晰可辨，且未產(chǎn)生較多磨屑。

2）在WC-12Co涂層中添加銅粉，會(huì)使涂層摩擦系數(shù)變小，并減弱其耐磨性，本文認(rèn)為，可以實(shí)際工況為準(zhǔn)確定合適的配比。