超微碳化鉬涂層的制備及其耐磨性能的研究

任寶江

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司金屬分公司，陜西西安710077)

0 前言

鉬的碳化物具有一般金屬碳化物所具備的超高的硬度、卓越的溫度穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性以及良好的耐腐蝕性能等特性。除此以外，鉬的碳化物還被發(fā)現(xiàn)有類似貴金屬的電子結(jié)構(gòu)和催化特性以及擁有好的電容特征和充放電行為［1－4］，因此被廣泛用于機械、航空航天、石油化工以及電子電器等領(lǐng)域。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米材料的應(yīng)用日見廣泛。研究表明，相比傳統(tǒng)涂層，經(jīng)過納米復合的涂層，具有優(yōu)異的力學性能，如更好的耐磨性、更高的硬度、更低的孔隙率、良好的抗氧化性和耐腐蝕等［5－7］。因此將大大拓寬表面涂層的機構(gòu)零件修復、強化和保護領(lǐng)域的應(yīng)用。本文以Ni60金屬粉為粘結(jié)金屬，在其中加入不同比例的超微碳化鉬粉體后，經(jīng)等離子噴涂在基體表面形成涂層，然后通過磨損試驗，對形成的涂層的磨損性能進行了研究。

1 試驗方法

選用平均粒度在100 nm左右的超微碳化鉬粉體，加入到普通Ni60金屬粉中，然后在球磨機中混合均勻。超微碳化鉬的加入量分別為入5%(質(zhì)量分數(shù)，下同)、10%和15%(編號分別記為Ni－5NC、Ni－10NC和Ni－15MC)，Ni60金屬粉在此作為粘結(jié)金屬。將混好的粉料利用美國METCO公司的9MC型超音速等離子噴涂儀在基體上經(jīng)等離子噴涂形成涂層。基體材料為40Cr鋼，噴涂參數(shù)為：功率35 kW，電流 200 A，電壓 175 V，氬氣流量4 m3/h，氫氣流量為0.6 m3/h，噴涂距離110 mm，涂層厚度400 μm。

涂層磨損試驗在M－200環(huán)－塊磨損試驗機上進行，試驗過程示意圖見圖1。對磨材料為淬火處理后的45號鋼，磨損方式為干磨，實驗壓力為300 N，磨損時間2 h。

樣品磨損后的磨損量通過磨損體積來計算。

圖1 磨損過程示意圖

計算公式如下：

式中：V－磨損體積，mm3；r－下試樣半徑，mm；a－磨痕長度，mm；L－上試樣寬度，mm。

超微碳化鉬粉體的粒度分析借助日本電子JSM－6700F高分辨率掃描電子顯微鏡(HRSEM)和JEM－200CX透射電子顯微鏡(TEM)進行，粉體的形貌及磨損樣品的表面形貌用S－2700掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。

2 試驗結(jié)果及分析

圖2是試驗中使用超微碳化鉬粉體的SEM照片及TEM照片。

圖2 超微碳化鉬粉體的SEM照片及TEM照片

從圖2可以看出，碳化鉬顆粒分布相對均勻，盡管顆粒之間有一定的團聚現(xiàn)象，但仍可以看出顆粒為納米量級的微粒，平均粒度在100 nm左右。TEM的選區(qū)電子衍射分析表明碳化鉬粉體的晶體結(jié)構(gòu)為六方結(jié)構(gòu)。

圖3是粘結(jié)金屬Ni60粉體及混合均勻后的粉體的SEM照片。從中可以看出，Ni60粉體顆粒基本為球形，平均粒度在50 μm左右。混合均勻后，超微的碳化鉬粉體均勻地粘附在Ni60顆粒表面。

圖3 Ni60及混合后粉體的SEM照片

圖4是等離子噴涂完后不同噴涂層表面及對應(yīng)的磨損試驗后的磨損面SEM照片。

從圖4可以看出，Ni60涂層的磨損后的表面不但有犁削痕，還出現(xiàn)了表面剝落現(xiàn)象。而添加了超微碳化鉬粉體的涂層的磨損后的磨面則主要是一些犁削痕，無明顯剝落現(xiàn)象。

圖5是基體材料40Cr、Ni60涂層以及不同含量碳化鉬涂層之間的磨損體積比較圖。可以看出，在同一磨損條件下，Ni60涂層的耐磨性要高于基體材料。而添加了不同質(zhì)量百分比的超微碳化鉬的涂層的耐磨性又優(yōu)于Ni60涂層，且隨著添加的碳化鉬粉體的量的增加，涂層耐磨性也隨之增加。

圖4 不同噴涂層表面及對應(yīng)磨損面的SEM照片

從磨損試驗的結(jié)果來看，超微碳化鉬粉體的加入，可以明顯地提高材料的耐磨性能。這一方面是因為超微碳化鉬在涂層中的均勻分布，很大程度上起到了彌散強化作用。這些超微碳化鉬顆粒的存在，提高了涂層的粘結(jié)力和涂層的硬度，導致抗粘著磨損能力增加，增強了涂層的抗流變和犁削能力，改善了復合涂層的韌性和延展性，從而使得磨損過程中涂層不易脫落，進而提高了涂層的耐磨能力；另一方面，這些超微顆粒在摩擦過程中起到自潤滑作用，改善了摩擦時的潤滑狀態(tài)。隨著涂層磨損加劇，凸起的那部分超微顆粒將會被磨斷、脫落，在磨損過程中，產(chǎn)生了一些強化相，覆蓋在摩擦面上形成一層致密的保護膜，隔斷了摩擦面的直接接觸，使超微的碳化鉬粒子在摩擦過程中起到支撐負荷的作用，降低了摩擦系數(shù)，從而提高了耐磨性［8－10］。

圖5 不同樣品的磨損體積圖

3 結(jié)論

(1)通過等離子噴涂在基體材料上形成超微碳化鉬涂層。通過對涂層進行磨損試驗，結(jié)果表明，超微碳化鉬粉體的加入可顯著提高涂層的耐磨性，并且涂層的耐磨性隨碳化鉬粉體加入量的增加而提高。

(2)超微碳化鉬涂層的磨損類型主要為犁削磨損。磨損過程中，涂層中均勻分布的超微碳化鉬顆粒一方面起著彌散強化的作用，另一方面起著自潤滑的作用。

［1］Oyama S T.The chemistry of transition metal carbides and nitrides［M］.Glasgow：Blackie Academic and Professional，1996.25－62.

［2］曹維成，安耿，劉高杰.碳/氮化鉬的性能、應(yīng)用及制備［J］.中國鉬業(yè)，2006，30(5)：45－49.

［3］Sarangapatal S，Tilak BV.Malerials for electrochemical capaeitom［J］.J Eleetrechem Soc.1996，143(11)：3791－3799.

［4］Lee J S，Yeom HM，Park K Y，et al.Preparation and benzene hydrogenation activityof supported molybde num carbide catalysts［J］.J.Catal.，1991(128)：126－130.

［5］林文松，李培耀，錢士強，等.納米涂層的研究現(xiàn)狀及展望［J］.材料保護，2003，36(7)：1－3.

［6］徐龍?zhí)茫鞛I士，周美玲，等.電刷鍍鎳/鎳包納米Al2O3顆粒復合鍍層微動磨損性能研究［J］.摩擦學學報，2001，21(1)：24－27.

［7］張玉峰.復合刷鍍納米Ni－ZrO2高溫耐磨性的研究［J］.電鍍與涂飾，2000，19(4)，18－21.

［8］Jianhong He，Michael Ice，Enrique J.Lavernia，Steven Dallek.Synthesis of nanostructured WC12－Co coating using mechanical milling and high velocity oxygen fuel thermal spraying［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2000，31，(2)：1308－1316.

［9］GongWB，Sha CK，Sun DQ，et al.Microstructures and thermal insulation capability of plasma－sprayed nanostructured ceriastabilized zirconia coatings.Surf.＆Coat.Technology.2006，201(201)：3109－3115.

［10］王振廷，陳華輝.感應(yīng)熔敷微納米復合材料涂層組織及抗磨性能［J］.粉末冶金技術(shù)，2006，24(01)：32－35.