金属-陶瓷复合涂层的组织与磨损性能研究

韩玉良董艳春阎殿然

(1中钢集团邢台机械轧辊有限公司 河北邢台 054025) (2河北工业大学材料学院 天津 300130)

金属-陶瓷复合涂层的组织与磨损性能研究

韩玉良1董艳春2阎殿然2

(1中钢集团邢台机械轧辊有限公司 河北邢台 054025) (2河北工业大学材料学院 天津 300130)

利用等离子喷涂方法制备出N i60+N i/WC金属陶瓷复合涂层,分析了复合涂层的微观组织,采用自行设计并制造的多用磨损试验机,研究了金属陶瓷复合涂层的磨损性能。研究发现加入适量的N i/W C,可以提高涂层的耐磨性,复合涂层磨损失效形式为微观切削、犁沟塑性变形、微观断裂(剥落)磨损和疲劳磨损机理。

N i60 金属陶瓷复合涂层 磨损性能

摩擦磨损是材料失效的主要形式[1],随着科技的进步,新技术不断被采用,材料的服役条件越来越苛刻,对材料提出了新的要求。材料的摩擦磨损形式更加复杂,特别是磨蚀共存的状态下对材料的性能要求更高,例如泥浆泵的过流部件,水和浆料共同磨损。等离子喷涂是一种先进的涂层制备方法,可根据工件表面性能的要求,通过等离子喷涂相应的金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、非金属矿物以及复合粉末材料等[2],可在常规金属材料表面获得各种特殊性能的涂层,其涂层厚度按需要控制,误差可控制在-0.025mm～+ 0.025mm[3～4]。在泵的易磨损表面喷涂耐磨涂层,可以有效提高易磨损部位的耐磨性,可大大提高泵的寿命。因此,笔者研究了在金属材料表面制备N i60+ N i/WC金属-陶瓷复合涂层,以及固液共存条件下涂层的摩擦磨损行为。

1 试验材料及方法

1.1 试验方法

采用50kW的等离子喷涂设备,BT-G3型等离子喷枪,采用枪外送粉方式喷制涂层。试样基体为Q235热轧钢板。试样尺寸为20mm×25mm×3mm,试样的待喷表面经过喷砂或用粗砂轮打磨除去铁锈,使试样表面粗化以提高涂层与基体的结合强度。然后,再在粗化面上依次喷涂粘结底层及表面涂层。涂层厚度为0.4～0.6mm。磨损、腐蚀磨损试验均在自行研制的多用磨损试验机上进行,设备示意图如图1所示。磨损试验采用环块相对滑动对磨的方式:试块固定不动,通过对磨环旋转实现相对滑动运动。磨损实验所用对磨环的材料为GCr15,硬度HRC60,尺寸为φ37mm×10mm。所加载荷为36.3N,试样与对磨环接触面的相对滑动线速度为0.278m/s。磨粒磨损采用湿磨,磨料采用粒度为80目的SiO2和水(30%)形成的中性砂浆。

涂层试样的金相分析采用PH IL IPSXL30/TM P型扫描电镜。同时借助X-射线能谱分析仪,进行组织中各点、线、面的元素分析。涂层及粉末的物相分析用PH IL IPSX-PertM PD型X-射线衍射仪。

1.2 试验材料

粘结底层采用N i/A l(粒度为160～320目)合金粉。耐磨涂层选用材料为N i60,成份见表1。

图1 多用磨损试验机设备示意图

表1 实验用N i60粉末成分(质量%)

为了增强镍基自熔性合金涂层的耐磨性能,将一定比例的N i/WC加入到N i60合金中,N i/WC粉的粒度为150～300目。N i/W C成分见表2。

表2 实验用N i/WC粉末成分(质量%)

2 试验结果与分析

2.1 镍基自熔合金涂层的显微组织与物相分析

图2是N i60自熔性合金涂层表面形貌的SEM照片,可见,涂层组织为在基体上分布着少量第二相颗粒,基体的硬度为HV 760,第二相的硬度为HV 1300。图3为涂层的X-射线衍射结构分析。由图3可看出,N i60自熔性合金涂层是由FeN i3、N i3B、C r7BC4等相组成,基体相为FeN i3,其余为第二相。图4是N i60 +25%N i/WC复合涂层表面形貌的扫描电镜照片,复合涂层是在基体上分布着一些白色颗粒及带状的第二相,对第二相进行X-射线衍射分析可知,第二相主要由W 2C构成(见图5所示)。

图6是N i60与不同含量WC复合涂层的磨损失重随时间变化的关系曲线,在浆料磨损过程中,WC含量较低时,随着WC陶瓷含量的增加,涂层的耐磨性逐渐增强,25%WC+N i60涂层的耐磨性明显好于N i60合金涂层,10%WC+N i60涂层的耐磨性介于N i60合金和25%WC+N i60两种涂层之间,其磨损特性曲线略接近于N i60合金涂层的磨损特性曲线。试验还发现50%WC+N i60合金涂层表现出了极高的脆性,在磨损中表现出大面积剥落,且涂层很快就会被磨穿,说明此种涂层耐磨粒磨损性能较差。

图7是N i60自熔性合金和N i60+10%N i/WC、N i60+25%N i/W C涂层试样的磨粒磨损形貌图。由图7可看出:涂层磨粒磨损机理主要是磨粒对材料基体相的微切削过程;N i60自熔性合金涂层的磨损形貌与WC/N i60有所不同,N i60试样的磨损表面有较为明显的塑性变形沟槽,还有少量的小块的剥落坑;而在N i60+10%N i/WC涂层试样的磨损形貌照片中可看到较短浅的犁沟和塑性变形槽,少量的剥落坑;在N i60+25%N i/WC涂层试样的磨损形貌照片中,犁沟和塑性变形槽都明显变浅变少,还可发现硬质颗粒的剥落坑,在上述涂层的磨损面上均未发现扩展性裂纹。这3种涂层的磨损破坏形式是一样的,但以N i60+ 25%N i/WC的磨损痕迹最不明显。

在WC/N i60涂层中WC颗粒和其它硬质相弥散分布,提高了基体的硬度和强度,使得磨粒不易嵌入基体,也有效地阻止锋利的磨粒对材料基体的微观切削过程,同时也有效地保护了WC赖以存在的基础。WC硬质点的存在还可使部分磨粒在与硬质相的摩擦和碰撞挤压中被磨钝或破碎,从而降低了磨粒的磨削性能。因此,就N i60和N i60+N i/WC涂层比较而言,N i60+ N i/W C涂层具有更好的耐磨粒磨损性能。但WC硬质相的含量必须适中,含量过少,对基体的强化作用不明显,对微切削的阻碍作用较弱;但若含量过多,如N i60+50%N i/WC涂层,基体对WC硬质点不能起到有效的镶嵌作用,在磨损过程中W C极易剥落,从而也失去了对微切削的有效阻碍作用,使耐磨粒磨损性能下降。

综上所述,①N i60+N i/WC复合涂层微观组织为FeN i3基体上分布着一些N i3B、Cr7BC4、W2C第二相。②N i60+25%N i/WC复合涂层的耐磨性最好,如果WC的含量过高,基体对WC硬质点不能起到有效的镶嵌作用,磨损性能下降。③复合涂层的磨损机理是磨粒磨损,即微观切削机理和犁沟塑性变形机理,前者为主要磨损机理。

1 周仲荣.摩擦学发展前沿.北京:科学出版社,2006

2 高荣发.热喷涂.北京:化学工业出版社,1992

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

4 何洪泉,王峰,张兰.热喷涂系列综述之一:等离子喷涂.山东陶瓷,2005,28(3):14～17