滑靴耐磨減摩涂層制備

蘇靜雨，蔡洪能，魏志遠，劉陽

（西安交通大學(xué) 金屬材料國家重點實驗室，西安 710049）

J.Cinnamon 等[1]指出滑靴在正常運行過程中，其接觸表面瞬間可以產(chǎn)生大量的摩擦熱，導(dǎo)致材料表面軟化。夏剛等[2—9]也指出這種摩擦熱會加劇材料表面的塑性變形，滑靴和滑軌的摩擦也會由磨粒磨損變?yōu)檎持p。王超等[10—11]指出在這個過程中會發(fā)生嚴重的“鑿削”現(xiàn)象，對滑軌產(chǎn)生極大的破壞，從而影響滑軌試驗的穩(wěn)定性和精度。而在滑靴和滑軌的實際運動過程中，由于軌道上面凸凹不平，存在著粗糙度，滑塊硬度又相對來說很高，為了避免高速運動下二者的碰撞、鑿削和撕拉，既要解決滑靴的耐磨問題又要解決滑靴的減摩問題，因此解決高速試驗帶來的滑靴、軌道減摩耐磨問題成了迫切的需要。

D.A.Stewart 等[12—14]指出使用超音速火焰噴涂方法制得的涂層具有更好的結(jié)合強度和耐磨性能。文中所用的涂層是使用超音速火焰噴涂技術(shù)制得的，結(jié)合孫永興等[15—18]的研究，在NiCr-Cr3C2耐磨涂層的基礎(chǔ)上加入減摩物質(zhì)Ni 包MoS2，這樣得到的涂層既能夠耐磨又能夠減摩，使滑靴在工作過程中受涂層的保護而達到摩擦因數(shù)降低、耐磨程度提高、溫升緩慢的效果。

1 試驗

1.1 基體材料

本次試驗采用的基體材料為滑靴材料 Vasco Max300 鋼，試樣制成Φ44 mm×5 mm 的圓盤，厚度為5 mm。試樣在噴涂之前進行預(yù)處理，首先利用超聲發(fā)生器+體積分數(shù)為3%的稀鹽酸進行表面超聲酸洗，清洗時間為10 min，主要用于除去零件表面的銹蝕產(chǎn)物和氧化膜等。將酸洗過的噴涂基體試樣用丙酮清洗以去除工件表面油污。最后對噴涂基體進行噴砂處理，噴砂壓力為0.3 MPa，噴砂時間10 min。

1.2 噴涂粉末

本試驗選用北京聯(lián)合涂層公司的Cr3C2-25(Ni20Cr)噴涂粉末。為減少噴涂過程中MoS2的燒損，減摩成分選用Ni-25MoS2，如表1 所示。

表1 噴涂粉末材料Tab.1 Spraying powder materials

Woka7302 通過團聚燒結(jié)和等離子致密化制備，該粉末表面鎳鉻層能有效減少噴涂過程中的失碳和氧化，抗高溫、抗磨損性能優(yōu)越，沉積效率高，工作溫度可達870℃。Ni-25MoS2粉末形貌呈現(xiàn)扁平狀，由于該粉末是納米粉團聚得到，因此粉末孔隙率較高，形狀不規(guī)則。

由Woka7302 分別與質(zhì)量分數(shù)為0%,8%,16%,24%,32%的LF235 經(jīng)過12 h 機械混粉方式混合得到4 種復(fù)合噴涂粉末。采用西安交通大學(xué)自主研制的CH-2000 超音速火焰設(shè)備進行噴涂，噴涂前對基體進行150℃的預(yù)熱。噴涂工藝參數(shù)如表2 所示。

表2 超音速火焰噴涂Cr3C2-25NiCr+Ni 包MoS2試驗方案Tab.2 Cr3C2-25NiCr+Ni coated MoS2test scheme by supersonic flame spraying

混合是指物料在外力、重力及機械力等作用下發(fā)生運動速度和方向的改變，使各組分顆粒得以均勻分布的操作過程，這種過程又稱為均化過程。在本次試驗中采用V 型高效混粉機進行混粉從而達到粉末混合均勻的效果。

2 涂層表征與性能測試

2.1 維氏顯微硬度

涂層斷面的顯微維氏硬度采用顯微維氏硬度計進行測量，試驗力為300 g（GF），保荷時間為15 s。由圖2 可知，隨著MoS2含量的增加，Cr3C2-25NiCr涂層的顯微硬度在逐漸下降，其下降幅度分別為3.1%,4.0%,5.5%,8.2%。可知Ni 包MoS2的含量逐漸增加時，涂層的顯微硬度呈下降趨勢，因為加入的固體減摩成分MoS2比較軟，所以當(dāng)含量增加的時候硬度會降低。

圖1 不同Ni 包MoS2含量Cr3C2-25NiCr 涂層維氏顯微硬度Fig.1 Vickers microhardness of Cr3C2-25NiCr coating with different contents of MoS2in Ni package

2.2 結(jié)合強度

對5 組不同Ni 包MoS2含量的Cr3C2-25NiCr 涂層進行了涂層結(jié)合強度測試，涂層基體材料為Max300 滑靴用鋼。每組試樣測試5 次，取5 次結(jié)合強度的平均值為最終的涂層結(jié)合強度，采用熱噴涂專用的FM-1000 航空膠進行粘接拉伸對偶件，然后裝在自制的夾具中，放置在180℃的烘箱里，保溫4 h，取出后自然冷卻，立即在電子拉伸機上進行試驗，拉伸速度為1 mm/min。對5 組試樣的結(jié)合強度進行了計算分析，結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可知，加入了Ni 包MoS2的Cr3C2-25NiCr涂層的結(jié)合強度均發(fā)生了一定程度的下降，但是，隨著Ni 包MoS2含量的增加，涂層的結(jié)合強度呈現(xiàn)先上升后減小的趨勢，其中含24% Ni 包MoS2時涂層的結(jié)合強度最大，這可能與涂層中Ni 金屬含量的增加、涂層沉積效果，以及產(chǎn)生缺陷有關(guān)。

2.3 Cr3C2-25NiCr+Ni 包MoS2涂層摩擦磨損性能

本次銷盤摩擦磨損試驗選用的試驗儀器是西安交通大學(xué)材料學(xué)院鑄造所MMG-500 高溫真空三體磨損試驗機，選用的試驗力為 60 N，主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min，試驗時間為30 min，試驗溫度為25,200,400,600℃。選取71Mn 鋼作為銷子材料，其洛氏硬度在30 左右，與Max300 鋼基體表面制得不同的涂層對偶盤進行摩擦磨損試驗，分別測量其穩(wěn)定摩擦因數(shù)和銷盤磨損失重。

圖2 不同Ni 包MoS2含量Cr3C2-25NiCr 涂層結(jié)合強度Fig.2 Bond strength of Cr3C2-25NiCr coating with different contents of MoS2in Ni package

圖3 不同Ni 包MoS2含量Cr3C2-25NiCr 涂層的摩擦因數(shù)變化情況Fig.3 Friction coefficient change of Cr3C2-25NiCr coating with different contents of MoS2in Ni package

圖3 所示為銷盤噴涂不同Ni 包MoS2含量Cr3C2-25NiCr 涂層在不同溫度下的摩擦因數(shù)，由圖3a 可知，在室溫25℃時，隨著涂層加入Ni 包MoS2含量的增加，銷盤穩(wěn)定摩擦因數(shù)在不斷降低，這與涂層中減摩成分MoS2含量增加有關(guān)，其中加入32% Ni 包MoS2涂層的摩擦因數(shù)僅為0.4 左右；當(dāng)溫度升高到200℃時，可以得到同樣的變化趨勢，說明呈片狀分布MoS2在此溫度范圍內(nèi)仍然能夠起到減摩的作用，如圖3b所示；而當(dāng)摩擦磨損溫度上升到400℃，并不呈現(xiàn)此規(guī)律，加入32% Ni 包MoS2復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)值最大，16% Ni 包MoS2復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)值最小。這是因為在400℃時，部分MoS2可能發(fā)生了分解生成MoO3，相關(guān)文獻資料表明，MoO3有增摩作用，所以出現(xiàn)涂層中Ni 包MoS2的質(zhì)量分數(shù)為32%時，摩擦因數(shù)反而最大，而Ni 包MoS2的質(zhì)量分數(shù)為16%時，涂層可能未發(fā)生明顯的分解，MoS2仍然能夠起到減摩的效果，故摩擦因數(shù)最小，如圖3c 所示。同時，對Ni 包MoS2的質(zhì)量分數(shù)為24%的涂層進行了600℃的摩擦磨損試驗，發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)隨溫度升高持續(xù)走高，這可能與銷的材質(zhì)可能有關(guān)，隨著溫度的升高，銷發(fā)生了軟化，磨損形式磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p，因此摩擦因數(shù)隨溫度升高而升高，如圖3d 所示。

3 結(jié)論

采用添加Ni 包MoS2粉末制備了Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2減摩耐磨涂層，并對不同含量Ni 包MoS2的涂層進行性能測量，得到了以下結(jié)論。

1）隨著Cr3C2-25NiCr 涂層中Ni 包MoS2含量的增加，涂層中的維氏顯微硬度在逐漸下降，其中當(dāng)Ni 包MoS2的質(zhì)量分數(shù)為24%時，涂層的顯微硬度最低；涂層的結(jié)合強度先升高后下降，其中當(dāng)Ni 包MoS2的質(zhì)量分數(shù)為24%時，涂層的結(jié)合強度為67 MPa。

2）在室溫25℃和200℃時，隨著涂層加入Ni包MoS2含量的增加，銷盤穩(wěn)定摩擦因數(shù)在不斷降低，其中加入32% Ni 包MoS2涂層的摩擦因數(shù)僅為0.4 左右。說明呈片狀分布MoS2在此溫度范圍內(nèi)能夠起到減摩的作用，

3）當(dāng)摩擦磨損溫度上升到400℃時，加入32% Ni包MoS2復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)值最大，16% Ni 包MoS2復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)值最小。當(dāng)摩擦磨損試驗溫度為600℃時，磨損形式磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p，摩擦因數(shù)隨溫度升高持續(xù)走高。

4）綜合涂層的各項性能表征可得出，選擇Ni包MoS2的質(zhì)量分數(shù)為16%～24%之間時，涂層的綜合效果最好。