热喷涂新型WC_Co耐磨涂层材料研究进展.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 6 5 热喷涂新型W C ／C o 耐磨涂层材料研究进展 崔颖1 ，林锋1 ，宋希建1 ，于月光1 ，蒋显亮2 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 ；2 ．中南大学，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要综述了新型W C ／C o 耐磨涂层材料的耐摩擦磨损机理以及主要热喷涂耐磨涂层材料的性质。分析 了超细化、纳米化涂层耐磨性能提高的原因，指明了涂层微观组织结构的超细化、纳米化提高了涂层耐 磨性，成为新型耐磨涂层的发展方向，同时指出了耐磨涂层结构进一步向纳米尺度细化需要解决的问题 和克服的困难。 关键词热喷涂；耐磨涂层；W C ／C o ；纳米结构 中圈分类号T G l 7 4 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 S O 一0 0 6 5 0 3 O v e r v i e wo nT h e r m a lS p r a y i n gN o v e lW C ／C oW e a r - r e s i s t a n c eC o a t i n g s C U IY i n 9 1 ，L I NF e n 9 1 ，S O N GX i - j i a n l ，Y UY u e ．g u a n 9 1 ，J I A N GX i a n 。l i a n 9 2 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI 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 ； 2 ．C e n t r a lS o u t hU v i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ．C h i n a A b s t r a c t T h es t r u c t u r e ，p r o p e r t i e sa n dw e a lsm e c h a n i s mo ft h en o v e lW C ／C oc o a t i n gi sr e v i e w e d ．T h en o v e l n a n o s t r u c t u r eW C ／C oc o a t i n g sh a v es o m ep o t e n t i a lt oi m p r o v et h ew e a r r e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n g s ．W ea l s o p r e s e n tt h ep r o b l e m st h a tw es h o u l dr e s o l v ea n do v e r c o m e ． K e y w o r d s T h e r m a ls p r a y i n g ；W e a r r e s i s t a n tc o a t i n g ；W C ／C o ；N a n o s t r u c t u r e 用于沉积耐磨涂层的热喷涂方法众多，通常包 括等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等。热喷 涂制备耐磨涂层的优势在于热喷涂基材几乎不受 限制、新型耐磨涂层材料的种类选择范围广、喷涂施 工对象的尺寸和形状不受限制、基材在喷涂过程中 性质不易发生改变、涂层厚度可在较大范围内变化 等。随着材料的飞速发展，超细化结构和纳米结构 热喷涂材料已经成为现在国内外广泛研究的课题。 采用超细化结构材料热喷涂制备新型耐磨涂层已经 成为下一代耐磨涂层材料的发展趋势。本文对超细 化结构热喷涂耐磨涂层进行了分析和论述，同时指 出了热喷涂耐磨涂层进一步向纳米结构发展必须首 先克服的困难。 1耐磨涂层的耐磨机理研究 作者简介崔颖 1 9 7 8 一 ，女，内蒙赤峰人，硕士 1 ．1 涂层的磨损机制 由于耐磨涂层的硬度高、塑性差，因此陶瓷涂层 材料的磨损机制常为磨料磨损，但是在高温、高载荷 及无润滑的条件下，耐磨涂层也会出现剥裂失效、塑 性变形、粘着磨损等一些类似于金属的摩擦磨损现 象。涂层磨损机制不仅与温度和润滑条件有关，也 与摩擦循环次数有关，负载越大，润滑越差，温度越 高，出现粘着磨损，甚至咬死的机会越大。 1 ．2 涂层的导热性能与其耐磨性 涂层的导热性能对于其耐磨性能影响很大，导 热性能越好，耐磨性越佳。一般条件下，陶瓷涂层的 磨损机制为磨粒磨损，表面接触面积小，而陶瓷的导 热性一般较低，因此磨擦产生的热量不易扩散，使得 局部温度很高，产生很大的局部热应力。热应力将 使涂层局部开裂剥落。 1 ．3 孔隙。微裂纹与涂层的耐磨性 万方数据 6 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 在摩擦过程中，摩擦应力和热应力容易在涂层 中较多孔隙和微裂纹的地方集中。小而分布均匀的 孔隙可避免应力局部集中，网状的微裂纹有助于阻 止裂纹扩展。为了改善耐磨涂层的耐磨性，很重要 的是要减d ．f L 隙率，缩小孔隙的尺寸，并使其尽量分 布均匀；大而不规则形状的孔隙以及纵向贯穿涂层 的裂纹应尽量避免存在。 2 热喷涂耐磨涂层材料选择及其耐磨 性能比较 用于制备耐磨涂层的陶瓷材料主要是氧化物和 碳化物 氧化物耐磨涂层材料 1 氧化铝 a 一～2 0 3 即 刚玉，涂层白色，耐磨耐蚀性能好； 2 氧化铬 C b 0 3 涂层高温耐磨性能好。氧化物耐磨涂层材 料一般添加氧化钛等添加剂起到提高涂层韧性等综 合性能的作用。 碳化物耐磨涂层材料碳化物熔点很高，硬度 大，为超硬材料，耐磨性能极强。碳化物脆性很大， 一般不直接使用，而是加入C o 、N i 等金属作为粘结 剂以增强其韧性。常用的碳化物陶瓷耐磨涂层材料 有碳化钨、碳化铬等。与其他耐磨涂层材料对比，在 5 0 0 ℃以下W C ／C o 耐磨涂层材料更为具有优异的 综合性能。 各种耐磨涂层材料的性能比较如表1 所示。 表1 各种耐磨涂层材料的性能 T a b l e1T h ep r o p e r t i e so fs e v e r a lw e a r - r e s i s t a n c ec o a t i n g s 3热喷涂超细化结构耐磨涂层组织结 构及性能研究 采用H V O F 方法喷涂制备纳米结构W C ／C o 涂 层，涂层显微结构如图1 所示。 材料超细化表现的优异的性能促使人们研究超 细化结构的耐磨涂层【1 咱】来提高涂层的性能和使 用寿命。脆性的陶瓷材料晶问裂纹的扩展引起的晶 间断裂是造成磨损的主要原因。晶粒越小，缺陷越 小，晶界开裂和晶粒脱落所需要的外部应力越大，因 此超细化结构涂层的耐磨性能比常规涂层好。此 外，超细化结构涂层的结构使得摩擦中引起的相变 与常规涂层也有区别，导致纳米涂层在磨损过程中 要消耗更多的能量，这也是超细化结构涂层耐磨性 能更优的原因之一。 图1纳米结构W C ／C o 涂层显微组织结构 F i g ．1M o r p h o l o g yo fn a n o s t r u c t u r eW C ／C oc o a t i n gf a b r i c a t e db yH V O F 4 热喷涂纳米结构耐磨涂层存在的问题越的雾萋翟嘉篇茎麓凳 篡磊蓑菁嚣某差磊嚣 4 ．1 纳米结构增强了涂层制备过程中的脱碳反应W C C o 粉末，采用H O V F 喷涂成的W C C o 涂层 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 6 7 的耐磨能力却远低于常规涂层。相同条件下，磨损 量比常规涂层高出1 ．4 ～3 ．1 倍。研究发现，晶粒越 小，W C 向w G 转变的程度越明显。要想使得烧结 W C ～C o 材料的优越性能在W C C a 涂层中得以体 现。必须通过改变喷涂参数、采用新型的喷涂方法 或者采用新型纳米结构的W C C o 粉末原料以减 小脱碳的程度。 4 ．2 纳米结构导致热喷涂耐磨涂层孔隙率增大、硬 度降低 材料的机械性能如硬度、强度、塑性等与材料的 晶粒大小有关。对于一些晶粒多为球形，致密度不 高的材料如陶瓷材料，位错运动受到孔隙等的钉扎 作用而难于开启，而晶界的滑移相对容易。然而，常 规晶粒的陶瓷材料，晶界的滑移还是不容易出现的， 所以金属陶瓷的脆性很大。而当晶粒尺寸减小到纳 米级时，晶界开始能够滑移，纳米陶瓷材料从而具有 了一定的韧性，而硬度相应将大大降低。同时，由于 颗粒的细小化导致颗粒间隙增多，最终导致涂层孔 隙率增大，进而导致涂层平均硬度降低。 5结论及展望 采用超细化结构材料热喷涂制备新型耐磨涂层 已经成为下一代耐磨涂层材料的发展趋势。制备高 性能新型纳米结构W C ／C O 耐磨涂层将是新型耐磨 涂层材料进一步研究的重点。 参考文献 [ 1 ] L iJF ，H u a n gJQ ．F r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o u ro fp l a s m a s p r a y e dC r 3 c 2 一N i C ra g a i n s tT i 0 2c o a t i n gu n d e r w a t e ra n d e t h a n o l l u b r i c a t eo fs l i d i n g [ J ] ．W e a r ，2 0 0 2 3 2 5 3 2 7 1 2 3 1 3 2 ． [ 2 ]w A N GY I N G L O N G ，J I NY U A N S H E N G ，W E N S H I Z H U ．T h eA n a l y s i so ft h ef r i c t i o na n dw e a rm e c h a n i s m so fp l a s m a s p r a y e dc e r a m i cc o a t i n g sa t4 5 0 1 2 [ J ] ． W e a r ，1 9 8 8 1 2 8 2 6 5 2 7 6 ． [ 3 ] L i uGH ，R o b b e v a l l o i r eF ，G r a sR ，e ta 1 ．I m p r o v e m e n ti n t r i b o l o g i c a Ip r o p e r t i e so fc h r o m i u mo x i d ec o a t i n gah i g h t e m p e r a t u r eb ys o l i dl u b r i c a n t s [ J ] ．W e a r ，1 9 9 3 1 6 0 1 8 1 1 8 9 ． [ 4 ] P a d m a n a b h a nKA ．M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn a n o s t r u c t u r e dm a t e r i a l s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA 2 0 0 1 3 0 4 3 0 6 2 0 0 2 0 5 ． [ 5 ] S T E W A R TDA ，S H I P W A YPH ，M c C A R T N E YDG ． M i c r o s s t r u c t u r a le v o l u t i o ni nt h e r m a l l ys p r a y e dW C C o c o a t i n g s c o m p a r i s o nb e t w e e nn a n o c o m p o s i t ea n dc o n v e n t i o n a ls t a r t i n gp o w d e r s [ J ] ．A c t aM a t e r ．，2 0 0 0 4 8 1 5 9 3 1 6 0 4 ． [ 6 ] S t e w a r tDA ，S h i p w a yPH ，M c c a r m e yDG ．A b r a s i v e w e a rb e h a v i o u ro fc o n v e n t i o n a la n dn a n o c o m p o s i t eH V O F - s p r a y e dW C C oc o a t i n g s [ J ] ．W e a r ，1 9 9 9 2 2 5 2 2 9 7 8 9 7 9 8 ． 万方数据