碳化铬基自润滑耐磨涂层材料的制备及表征.pdf

6 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 碳化铬基自润滑耐磨涂层材料的制备及表征 林锋，任先京，李振铎，尹春雷，黄新春，李敦钫 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要采用碳化铬、镍铬合金、氟化物共晶体和银的复合粉末为原料，通过等离子体喷涂方法制备高温耐 磨自润滑涂层。利用扫描电子显微镜对粉末材料和涂层的微观组织结构进行分析，并对其摩擦性能分 析、研究。结果表明分别采用镍铬合金润湿碳化铬、银包覆氟化物共晶体的方法有效的降低了等离子 体喷涂过程中的脱碳、烧损问题。与国外相同材料组分的碳化铬基自润滑涂层相比，涂层具有孔隙率 低、自润滑组分 氟化物、银 分布均匀、摩擦系数为0 ．1 8 - 0 ．2 0 等特点。 关键词碳化铬；自润滑；等离子喷涂；耐磨性能 中图分类号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 0 0 0 6 8 一0 3 P r e p a r a t i o na n dC h a r a c t e r i z a t i o no fC h r o m i u mC a r b i d eB a s e d S e l f - l u b r i c a t i n gF l u o r i d e - m e t a lC o m p o s i t eC o a t i n g L I NF e n g ，R E NX i a n - j i n g ，L IZ h e n d u o ，Y I NC h e n - l e i ，H U A N GX i n c h u n ，L ID u n f a n g B e f i m 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 m a A b s t r a c t S e l f l u b r i c a t i n gw e a rr e s i s t a n tc o a t i n gi sp r e p a r e db yp l a s m as p r a y i n gu s i n gc h r o m i u mc a r b i d e ，n i c k e l c h r o m e ，f l u o r i d e m e t a l ，a n ds i l v e rc o m p o s i t em a t e r i a l s ．S c a n n i n ge l e c t r o nm o r p h o l o g y T E M i su s e dt oa n a l y z e t h em o r p h o l o g yo fc o m p o s i t em a t e r i a l sa n ds e l f l u b r i c a t i n gc o a t i n g ．I na d d i t i o n ，t h ef r i c t i o np r o p e r t yi sa l s o m e a s u r e d ．E x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a td e c a r b o n i z a t i o na n dl o s so ni g n i t i o na r ed e c r e a s e dt h r o u g hw e t t i n ga c t i o no fn i c k e lc h r o m et oc h r o m i u mc a r b i d ea n dc l a d d i n go fs i l v e rt of l u o r i d e m e t a l ．C o m p a r e dt Oi n t e r n a t i o n a l s e I f _ I u b r i c a t i n gw e a rr e s i s t a n tc o a t i n g ，t h ec o a t i n gi sl o w e rp o r o u s ，w e l ld i s t r i b u t i o no fc o m p o n e n t ，a n dl o w e r f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ． K e y w o r d s C h r o m i u mc a r b i d e ；S e l f l u b r i c a t i n g ；P l a s m as p r a y i n g ；F r i c t i o np r o p e r t y 作为应用于刷式密封结构中，转子跑道表面上 的高温耐磨自润滑涂层材料国内外都已经进行了一 定的研究工作。2 0 世纪6 0 年代开始，S l i n e y 采用金 属氟化物共晶体经渗透分散在多孔的镍／g } 合金中 得到～种高温自润滑耐磨涂层材料。随后，美国 N A S A 等航空发动机研究机构对刷式密封用各种材 料进行的深入研究，使刷式密封技术日趋成熟，高温 自润滑耐磨涂层材料亦得到了长足发展。作为篦齿 密封的替代技术，刷式密封技术已经在许多先进的 工业用燃气轮机、航空发动机和汽轮机中得到了应 用，如S i e m e n sW e s t i n g h o u s e 的5 0 1 E 燃气轮机、空 作者简介林锋 1 9 7 8 一 ，男，辽宁鞍山人，工程师，硕士 中客车A 3 2 0 发动机等。 先进航空发动机和燃气轮机设计和制造中采用 的刷式密封是一种接触性密封，在转动部件瞬间大 幅径向位移后仍可保持密封间隙不变，其泄漏量是 蓖齿密封的1 ／5 ～1 ／1 0 ，发动机耗油率降低约2 ％， 大大改善转动部件的运行稳定性。刷式密封中，刷 毛在高温燃气环境中，在较高压力下，以较高相对摩 擦速度与转子轴表面 跑道 接触。因此，刷毛接触 的转子轴表面 跑道 需要喷涂一层高温耐磨自润滑 涂层以保证在高温燃气环境下降低转子轴的磨损以 及减少刷毛的磨损量。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊6 9 本实验采用碳化铬基氟化物共晶体和银的复合 粉末为原料，通过等离子体喷涂方法制备高温耐磨 自润滑涂层并对其摩擦性能进行研究。 1实验 1 ．1 碳化铬基高温自润滑耐磨粉末制备 采用N i C r 合金粉末、高纯碳化铬粉末，分析纯 C a F 2 和B a F 2 粉末以及添加金属粉末作为高温耐磨 自润滑复合粉末的原料。首先，镍铬合金粉末与碳 化铬粉末经过高能球磨2 4h ，喷雾干燥，13 0 0 ℃氮 气保护烧结6h ，无损伤破碎筛分等加工工艺制备镍 铬倦化铬粉末。其次，分析纯C a F 2 粉末和B a F 2 粉 末混合后通过共晶温度烧结4h ，破碎，筛分分级制 备C a F 2 侣a F 2 共晶粉末。将制备的C a F 2 ／B a F 2 共晶 粉末化学镀银得到银包覆C a F 2 肥a F 2 共晶粉末。将 制备的镍铬倦化铬粉末、银包覆C a F 2 店a F 2 共晶粉 末进行均匀混合得到碳化铬基高温自润滑耐磨粉 末。 1 ．2 等离子体喷涂制备高温自润滑耐磨涂层 将用于待喷涂工件的喷涂部位进行清洗、喷砂 处理，非喷涂部位进行屏蔽处理。通过等离子体喷 涂工艺参数的优化，以最优化爆炸喷涂工艺参数在 工件喷涂部位喷涂高温耐磨自润滑涂层。等离子体 喷涂工艺参数如下功率2 0 ～3 0k W 、主气流量 A r 2 ～3m L ／m i n 、喷涂距离1 1 0 ～1 4 0m m 、进料速度1 5 ～2 5g ／m i n 、载气流量 A r 0 ．4 ～0 ．5m L ／m i n 。 1 ．3 粉末及涂层性能检测分析 利用J E O LX 一6 5 0 型扫描电子显微镜对粉末 原料及涂层的微观形貌进行分析，测定涂层的摩擦 性能。 2 结果与讨论 2 ．1 碳化铬基高温自润滑耐磨粉末微观结构及性能 为了尽可能的降低碳化铬在等离子体喷涂过程 中的脱碳、烧损情况，我们采用镍铬合金与碳化铬一 起首先进行造粒得到适合于等离子体喷涂的粉末原 料的颗粒尺寸，然后通过气氛保护烧结对粉末进行 半烧结状态的热处理。最终得到镍铬合金充分润湿 碳化铬表面的球形镍铬偎化铬复合粉末。球形镍 铬碳化铬复合粉末的形貌照片如图1 所示。 图1球形镍铬倦化铬复合粉末微观形貌图 F i g ．1 S E Mm i c r o s t r u c t u r eo fs p h e r i c a lN i C r ／C r 3 C 2c o m p o s i t ep o w d e r 将用于等离子体喷涂的氟化物 氟化钙、氟化自润滑粉末材料。 钡 按照共晶配比 3 8 ％、6 2 ％ 在共晶温度下烧结、2 ．2 碳化铬基自润滑涂层微观结构及性能 破碎得到氟化物共晶粉末。在氟化物表面化学镀覆采用大气等离子体喷涂方法在高温合金基体上 银得到银包覆的氟化物共晶粉末材料。银的加入主沉积得到碳化铬基耐磨自润滑涂层，涂层显微组织 要是提高最终耐磨自润滑涂层的低温自润滑性能和结构如图3 所示。与国外相同材料组分的碳化铬基 涂层的高温抗氧化性。另外，在氟化物表面镀覆银自润滑涂层相比，涂层具有孔隙率低、自润滑组分 同样起到减少等离子体喷涂过程中氟化物氧化、烧 氟化物、银 分布均匀、脱碳烧损少等特点。 损的作用。制备的银包覆的氟化物共晶体粉末的微与国外相同材料组分的碳化铬基自润滑涂层相 观形貌如图2 所示。比，涂层的摩擦性能更加优异。碳化铬基耐磨自润 将镍铬做化铬复合粉末与银包覆的氟化物共滑涂层的摩擦性能比较如图4 所示。 晶粉末进行混合最终得到用于等离子体喷涂的耐磨 万方数据 7 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 03 2 5 0 ．2 0 螺 粪1 1 5 避0 ．1 0 0 0 5 【 ．0 0 图2 银包覆氟化物共晶体粉末微观形貌图 F i g ．2 S E M p a t t e r no ff l u o r i d e - m e t a lp o w d e rc l a ds i l v e r 图3 碳化铬基自润滑耐磨涂层微观组织形貌图 F i g ．3S E Mp a t t e r no fc h r o m i u mc a r b i d eb a s e ds e l f - l u b r i c a t i n gc o a t i n g O w nN A S A 图4 碳化铬基耐磨自润滑涂层的摩擦性能比较 F i g ．4 F r i c t i o np r o p e r t i e sc o m p a r i n go fc h r o m i u m c a r b i d eb a s e ds e l f - l u b r i c a t i n gc o a t i n g 3结论 1 采用首先制备镍铬碳化铬复合粉末和银包 覆氟化物共晶粉末然后混合的方法成功制备了适用 于等离子体喷涂的高温自润滑耐磨涂层粉末材料。 2 分别采用镍铬合金润湿碳化铬、银包覆氟化 物共晶体的方法有效的降低了等离子体喷涂过程中 的脱碳、烧损问题。 3 采用等离子体喷涂方法成功制备了组织结 构均匀，孔隙率低的高温自润滑耐磨涂层。 4 制备的高温自润滑耐磨涂层具有优异的自 润滑性能摩擦系数为0 ．1 8 ～0 ．2 0 。 参考文献 [ 1 ] H a r o l dES l i n e y ，P a r m a ，O h i o ，e ta 1 ．S e l f - l u b r i c a t i n gf l u o r i d e - m e t a lc o m p o s i t em a t e r i a l s U SP a t e n t ，3 4 1 9 3 6 3 [ P ] ． 1 9 6 8 1 1 2 3 ． [ 2 ] H a r o l dES l i n e y ，P a r m a ，O h i o ，e ta 1 ．M e t h o do fm a k i n g s e l f - l u b r i c a t i n g f l u o r i d e m e t a l c o m p o s i t em a t e r i a l s U S P a t e n t ，3 5 0 8 9 5 5 [ P ] ．1 9 7 0 0 4 1 5 ． [ 33H a r o l dES l i n e y ，P a r m a ，O h i o ，e ta 1 ．C a r b i d e ／f l u o r i d e ／s i l ． v e rs e l f l u b r i c a t i n gc o m p o s i t e U SP a t e n t ，3 4 1 9 3 6 3 [ P ] ． 1 9 8 8 0 3 0 1 ． 万方数据