金屬-陶瓷復合涂層的組織與磨損性能研究

韓玉良董艷春閻殿然

(1中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司 河北邢臺 054025) (2河北工業(yè)大學材料學院 天津 300130)

金屬-陶瓷復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中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司 河北邢臺 054025) (2河北工業(yè)大學材料學院 天津 300130)

利用等離子噴涂方法制備出N i60+N i/WC金屬陶瓷復合涂層,分析了復合涂層的微觀組織,采用自行設計并制造的多用磨損試驗機,研究了金屬陶瓷復合涂層的磨損性能。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)磨損和疲勞磨損機理。

N i60 金屬陶瓷復合涂層 磨損性能

摩擦磨損是材料失效的主要形式[1],隨著科技的進步,新技術不斷被采用,材料的服役條件越來越苛刻,對材料提出了新的要求。材料的摩擦磨損形式更加復雜,特別是磨蝕共存的狀態(tài)下對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的金屬粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、非金屬礦物以及復合粉末材料等[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-陶瓷復合涂層,以及固液共存條件下涂層的摩擦磨損行為。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗方法

采用50kW的等離子噴涂設備,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合強度。然后,再在粗化面上依次噴涂粘結底層及表面涂層。涂層厚度為0.4～0.6mm。磨損、腐蝕磨損試驗均在自行研制的多用磨損試驗機上進行,設備示意圖如圖1所示。磨損試驗采用環(huán)塊相對滑動對磨的方式:試塊固定不動,通過對磨環(huán)旋轉實現(xiàn)相對滑動運動。磨損實驗所用對磨環(huán)的材料為GCr15,硬度HRC60,尺寸為φ37mm×10mm。所加載荷為36.3N,試樣與對磨環(huán)接觸面的相對滑動線速度為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。同時借助X-射線能譜分析儀,進行組織中各點、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 試驗材料

粘結底層采用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 多用磨損試驗機設備示意圖

表1 實驗用N i60粉末成分(質量%)

為了增強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 實驗用N i/WC粉末成分(質量%)

2 試驗結果與分析

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-射線衍射結構分析。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復合涂層表面形貌的掃描電鏡照片,復合涂層是在基體上分布著一些白色顆粒及帶狀的第二相,對第二相進行X-射線衍射分析可知,第二相主要由W 2C構成(見圖5所示)。

圖6是N i60與不同含量WC復合涂層的磨損失重隨時間變化的關系曲線,在漿料磨損過程中,WC含量較低時,隨著WC陶瓷含量的增加,涂層的耐磨性逐漸增強,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:涂層磨粒磨損機理主要是磨粒對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)硬質顆粒的剝落坑,在上述涂層的磨損面上均未發(fā)現(xiàn)擴展性裂紋。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顆粒和其它硬質相彌散分布,提高了基體的硬度和強度,使得磨粒不易嵌入基體,也有效地阻止鋒利的磨粒對材料基體的微觀切削過程,同時也有效地保護了WC賴以存在的基礎。WC硬質點的存在還可使部分磨粒在與硬質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硬質相的含量必須適中,含量過少,對基體的強化作用不明顯,對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WC硬質點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復合涂層的耐磨性最好,如果WC的含量過高,基體對WC硬質點不能起到有效的鑲嵌作用,磨損性能下降。③復合涂層的磨損機理是磨粒磨損,即微觀切削機理和犁溝塑性變形機理,前者為主要磨損機理。

1 周仲榮.摩擦學發(fā)展前沿.北京:科學出版社,2006

2 高榮發(fā).熱噴涂.北京:化學工業(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