超音速火焰喷涂Cr3C2-25%NiCr涂层的滑动摩擦磨损性能研究.pdf

9 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 超音速火焰喷涂C r 3C 2 25 ％N i C r 涂层的 滑动摩擦磨损性能研究 高峰，刘富荣，任先京 d g 京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要采用超音速火焰喷涂工艺制备了C r 。C 2 2 5 ％N i C r 陶瓷，对涂层的组织结构、显微硬度及在滑动 摩擦条件下的失重进行了分析，得出了涂层摩擦因数与时间的关系，对涂层的滑动摩擦磨损机理进行了 分析．结果表明C r s C 2 2 5 ％N i C r 涂层致密，孔隙率为0 ．9 6 ％，涂层截面的显微硬度平均值H v o ．。为 8 6 7 。涂层稳定的摩擦因数为0 ．1 。初始阶段涂层的磨损主要是磨屑对涂层的磨粒磨损作用，摩擦稳定 后涂层的磨损主要是由于相对运动面的磨削作用． 关键词超音速火焰喷涂；C r s C 2 2 5 ％N i C r ；涂层；滑动摩擦 中图分类号T G l l 5 ．5文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 S O 一0 0 9 8 - - 0 4 S t u d yo nS l i d i n gW e a rB e h a v i o ro f2 5 ％N i C 卜C r 2 C 3C o a t i n g sS p r a y e db yI - I V O F G A OF e n g ，L I UF u - r o n g ，R E NX i a n - j i n g B e l l i n gG e n e r a lI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 。C h i n a A b s t r a c t C r 3C 2 2 5 ％N i C rc o a t i n g sw e r ep r e p a r e do nN o ．4 5s t e e ls u b s t r a t eb ym e a n so fh i g hv e l o c i t yo x y - f u e ls p r a y i n g H V O F ．C o a t i n gp o r o s i t y ，m i c r o h a r d n e s sa n dw e i g h t n e s sl o s s o fc o a t i n gi nt h es l i d i n g w e a rt e s tw e r es t u d i e d ．P r o f i l e so ft h es l i d i n gw e a rc o e f f i c i e n t sw e r ed e s c r i b e da n dt h ew e a r m e c h a n i s m so f c o a t i n g sw e r ed i s c u s s e da sw e l l ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o a t i n g sa r ec o m p a c tw i t ht h ep o r o s i t yo f 0 ．9 6 ％，a n dt h eh a r d n e s so ft h ec o a t i n g si s8 6 7H Vu n d e rt h el o a d i n go f3 0 0g r a m ．A b r a s i o no ft h ec o a t i n g si ss t a b l ea n df r i c t i o nc o e f f i c i e n ti s0 ．1 ．A tt h ep r i m a r ys t e po fw e a r ，t h em a i na b r a s i o nm o d e so f C r 3C 2 25 ％N i C rc o a t i n g si st y p i c a la b r a s i v ew e a rb e h a v i o r ，w h i l ea tt h e s t a b l ew e a rs t e p ，t h ea b r a s i o n m o d e sc h a n g ei n t ot h eg r i n d i n gb e t w e e nt h ec r u ba n dc o a t i n g ． K e y w o r d s H i g hV e l o c i t yO x y F u e lS p r a y i n g H V O F ；C r 3 C 2 2 5 ％N i C r ；C o a t i n g ；S l i d i n gw e a r 超音速火焰喷涂 H i g hV e l o c i t yO x y F u e l S p r a y i n g ，H V O F 是近年来发展的一种高速火焰 喷涂工艺，它具有焰流温度较低 30 0 0 ℃左右 、速 度高 ．- - j - 达2k i n ／s 等特点，由于喷涂粒子可获得的 更大动能，因此形成的涂层致密，氧化物含量低，涂 层结合强度高，在制备金属陶瓷涂层方面得到了广 泛的应用，特别适用于喷涂W C o 、C r 。c 2 2 5 ％ N i C r 等易受热分解的碳化物金属陶瓷材料[ 1 ] 。目 作者简介高峰 1 9 7 7 一 。男，山东泰安人，博士． 前，W D C o 、C r 。C z - 2 5 ％N i C r 等碳化物金属陶瓷已 广泛应用于机械、冶金等行业中[ 2 ] 。C r s C 2 2 5 ％ N i C r 是目前应用最为广泛的金属／陶瓷复合材料之 一，镍铬合金N i 8 0 C r 2 0 具有优异的耐热、抗高温氧 化和耐腐蚀性能，碳化铬具有较好的高温硬度和抗 高温氧化性，因此C r 3 C - 2 5 ％N i C r 涂层在9 5 0 ℃下 具有优异的抗高温氧化性、抗高温气流或微粒冲蚀 磨损和硬面磨损性能[ 3 ] 。广泛应用于连铸连轧轧辊 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 9 9 表面高温耐磨涂层、航空涡轮发动机涡轮叶片耐高 温冲蚀磨损涂层、火力发电厂燃煤锅炉耐高温燃气 冲蚀磨损涂层[ I ] 。 本文主要针对H V O F 工艺制备的C r 。C 一2 5 ％ N i C r 涂层的耐磨性能进行研究，分析其在滑动摩 擦情况下的磨损行为及耐磨机理，为进一步提高其 使用性能提供依据。 1试验 实验采用北京矿冶研究总院研制的球形烧结态 C r 。C 一2 5 ％N i C r 复合粉末 牌号K F 一7 0 制备耐 磨涂层，制备工艺为团聚制粒、烧结。粉末形貌如 图1 所示。 图1C r 3C 2 2 5 ％N i C r 复合粉末的剖面和表面形貌 F i g ．1M o r p h o l o g i e so fC r ag 一2 5 ％N i C rc o m p o s i t ep o w d e r K F 7 0 粉末性能粒度1 0 ～4 5 ／z m 、松装密度 和涂层孔隙率分别取5 组测量数据的平均值。 2 ．3 6g ／c m 3 、流动性 5 0 9 3 0 ．8s ～，化学成分 ％ N i1 8 ．9 7 、C r7 1 ．0 3 、C9 ．9 9 。 样片基体材质为A 3 钢，尺寸为5 0m m 3 0 m m 5m m ，表面用丙酮清洗后，进行喷砂粗化处 理。喷涂前将粉末进行烘干处理，烘干温度1 2 0 ℃， 烘干时间3 0m i n 。喷涂设备采用德国G T V 设备， 采用K 2 枪进行超音速火焰喷涂，喷涂工艺参数煤 油22 1 7L ／h 、氧气0 ．8m 3 ／m i n 、送粉N 20 ．0 2 m 3 ／m i n 、喷涂距离3 5 0m m 、送粉量5 0g ／m i n ，涂层 厚度为0 ．3 ～O ．4m m 。 摩擦磨损试验在M R H 一3 型高速环块磨损试 验机上进行，转速4 0 0r ／r a i n ，摩擦环、摩擦块尺寸均 按G B l 2 4 4 4 ．2 9 0 标准制备，C r 。C 2 2 5 ％N i C r 喷 涂于摩擦块上，摩擦环材料为G C r l 5 。试验载荷 2 0 0 N ，试验时间 r a i n 1 、3 、5 、7 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 ， 另外，还在载荷3 0 0N ，摩擦时间1 0r a i n 条件下进 行了对比试验。 采用精度为0 ．1m g 的D T 2 1 0 0 光电天平测定 滑动摩擦前后C r 。C 2 2 5 ％N i C r 涂层试样质量。 摩擦系数的测量在自制的K F C O 动静态摩擦系 数测定仪上进行。采用ⅪL 0 3 型金相显微镜及 H I T A C H I S 二_ 3 5 0 0 型扫描电子显微镜观察涂层组 织和磨损实验后涂层表面形貌。采用L M 7 0 0 A T 型 显微硬度仪测定涂层的显微硬度，测试载荷3 0 0g ， 采用图像分析系统灰度法测量涂层孔隙，显微硬度 2 结果与讨论 2 ．1 涂层的组织及基本性能 图2 为C r 。C 。一2 5 ％N i C r 涂层的横截面图，从 图2 可以看出，涂层与基体结合紧密，涂层组织比较 致密，图中涂层区域内暗灰色的为硬质相颗粒，主要 由铬的碳化物组成；浅白色为粘结相N i C r 合金相， 硬质相颗粒分布均匀。结合如图3 所示的X 射线 衍射分析结果，涂层中的硬质相主要是C r 。C 2 和 C r ，C 。。试验测得涂层孑L 隙率为0 ．9 6 ％，涂层截面 的显微硬度平均值H v o ．。为8 6 6 ．6 。 图2C r 3 C - - 2 5 ％N i C r 涂层的横截面 F i g ．2C r o s ss e c t i o no fS E Mi m a g eo f C r 3C 2 - - 2 5 ％N i C rc o a t i n g 万方数据 1 0 0 有色金璃 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 毋q 霉o r c , ▲N i C r 1 02 03 04 05 0“J7 08 【l9 0 2 0 ／ 。’ 图3C r 3 C 2 - - N i C r 涂层的x 射线衍射图谱 魄3X - r a yd i f f r a c t i o np a t t e r no f 魄G N i C r0 0 a t i n g 2 ．2 磨损机理 图4 为在滑动摩擦磨损条件下，不同摩擦时闻 蘑涂层表面镌形貔，簸巨4 可滋稽窭在摩擦的裙始 阶段，作用在涂层上的正向压力和切向应力使涂鼹 表露积对磨侔表面的微酝起发生微量弹性鬏塑性变 形，由予涂层硬度较高，对蘑{ 隼的徽凸翘位置脱落， 碎屑开始转移到涂层表筒，这时的碎屑尺寸较大，涂 层表面开始出现少量的河流状花纹，随蒋摩擦时间 的增加，涂层表面出现犁沟，此时涂层裘鬣粘附的碎 震尺寸缀小，这可能是巍予开始黏着凌涂层酶太颗 粒碎屑在涂层与对磨件的作用下破碎成为较小的磨 屑，这些磨屑进一步对涂层表面进行磨损，由于涂层 硬度较高，磨屑在涂层表面形成较浅的犁沟。随着 摩擦时阕酶延长，这些密震鳇终鼹减，l 、，摩擦过程变 得平稳，涂层表面附着的磨属相对减少，涂层变得相 对光滑。因此在涂层与对磨件的初期摩擦过程中， 主要是对磨件脱落的磨屑对涂层起磨粒磨损作用， 在摩擦乎稳后，涂层的密撰主要是两个裰对面憋磨 割佟蘑。 图5 载荷3 0 0N 时涂层磨攒后形貌 F i g ．5M o r p h o l o g yo fN i C r - C r 3C 2c o a t i n ga f t e rf r i c t i o nt e s tw i t h3 0 0N 0；| 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 1 0 1 对图4 a 中A 点碎屑进行能谱分析，分析结果表l 为在相同的滑动摩擦条件下，不同磨损时 表明，碎屑主要的成份是铁和氧，这是由于对磨件与间后涂层试样的失重变化情况。从表1 可以看出在 涂层摩擦过程中产生了较高的温度，接触面的微凸摩擦的初始时间，试样质量略有下降，随后涂层试样 起被氧化并脱落留在涂层表面。重量在短时间内增加，时间继续延长试样质量减少。 在摩擦过程中加大试验载荷，涂层表面有可能从前面分析可知，在摩擦初期，涂层试样和对磨件发 出现表面部分脱落或产生裂纹，如图5 所示。简中生摩擦磨损，涂层质量减少，但对磨件的磨屑开始转 华等[ 5 j 认为，此时涂层的磨损方式为涂层碳化物的移到涂层表面，随着转移量的增加，涂层试样略有增 剥落和表面划痕。重，接着由于大颗粒磨屑变小脱落，涂层试样质量又 2 ．3 摩擦因数开始减小。 表1 摩擦后涂层试样的质量变化 T a b l e1M a S Sl o s so fc o a t i n g sa f t e rf r i c t i o nt e s t 试验时间／r a i n 71 0 1 52 02 53 0 00 ．20 ．20 ．20 ．3 0 ．3试样质量变化／n a g 从图6 的曲线可以看出C r 。C 2 一N i C r 涂层的摩 擦因数随摩擦时间呈先增大减小后减小进而稳定的 趋势。结合涂层质量的变化及前面涂层表面形貌的 变化，涂层在开始摩擦阶段涂层与对磨件表面的凸 起相对运动，涂层质量减小，同时由于磨屑转移到涂 层表面，涂层的摩擦因数开始增加，随着大颗粒磨屑 的减少，涂层的摩擦因数开始减小，同时磨削作用的 加强，涂层的磨损量增加，涂层试样质量减小。摩擦 时间延长，涂层的摩擦相对平稳，涂层的摩擦因数变 得比较稳定，涂层在相对运动面的磨削作用下质量 减小缓慢。 图6C r 3C 2 - N i C r 涂层的摩擦 因数随时问变化 F i g ．6 C u r v e so ff r i c t i o nc o e f f i c i e n tw i t h t i m eo fC r 3C 2 一N i C rc o a t i n g s 3结论 1 C r 。C 2 2 5 ％N i C r 涂层致密，孔隙率为 0 ．9 6 ％，涂层截面的显微硬度平均值H v o ．。为 8 6 6 ．6 。 2 涂层稳定的摩擦因数约为0 ．1 ，初始阶段涂 层的磨损主要是由于对磨件脱落的磨屑对涂层的磨 粒磨损作用，摩擦稳定后涂层的磨损主要是由于相 对运动面的磨削作用。 参考文献 [ 1 ] R a s t e g a rF ，R i c h a r d s o nDE ．A l t e r n a t i v et oc h r o m e H V O Fc e r m e tc o a t i n g sf o rh i g hh o r s ep o w e rd i e s e le n g i n e s [ - J ] ．S u r f a c e C o a t i n gT e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ，9 0 1 5 6 1 6 3 ． [ 2 ] M u r t h yJKN ，V e n k a t a r a m a nB ．A b r a s i v ew e a rb e h a v - i o u ro fW C C o C ra n dC r 3 C 2 - 2 0 N i C r d e p o s i t e db y H V O Fa n dd e t o n a t i o ns p r a yp r o c e s s e s [ J ] ．S u r f a c e C o a t i n g sT e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，2 0 0 2 6 4 2 2 6 5 2 ． I - 3 - 1W a n gBQ ，L u e rK ．T h ee r o s i o n - o x i d a t i o nb e h a v i o ro f H V O FC r 3C 2 一N i C rc e r m e tc o a t i n g [ J ] ．W e a r ，1 9 9 4 ， 1 7 4 1 7 7 1 8 5 ． [ 4 ] 李振铎，于月光，刘海飞，等．高温耐磨损C r a C z 一2 5 ％ N i C r 涂层制备及其性能研究口] ．有色金属 冶炼部 分 ，2 0 0 6 S O 3 7 4 0 ． 1 - 5 - I 简中华，马壮，曹索红，等．超音速火焰喷涂W C - C O 与 N i C r - C r zC 3 涂层磨损性能研究E J ] ．材料工程，2 0 0 7 7 2 1 2 4 ． _ou_3IH-uou嚣011ueL 万方数据