等离子喷涂纳米WC-12%Co涂层与陶瓷和不锈钢配副时的摩擦磨损性能对比研究
尹 斌,周惠娣,陈建敏,赵晓琴,安宇龙
摩擦学学报
摘要:利用大气等离子喷涂技术制备了纳米和微米WC-12% Co涂层,采用SRV摩擦磨损试验机考察了纳米和微米WC-12% Co涂层在干摩擦条件下分别与Si3N4陶瓷球和不锈钢球配副时的摩擦磨损性能.结果表明:在相同试验条件下,纳米和微米WC-12% Co涂层分别与Si3N4陶瓷球和不锈钢球配副时的摩擦系数相差不大,但纳米WC-12% Co涂层的抗磨性能明显优于微米WC-12% Co涂层; 2种涂层的磨损机制差异亦较小,纳米涂层在低载荷下的主要磨损机制为微断裂和轻微磨粒磨损,而在较高载荷下的磨损机制为硬质相的剥落和磨粒磨损;微米涂层在较低载荷下的磨损机制为微断裂和磨粒磨损,在较高载荷下为疲劳磨损.在相同试验条件下,纳米WC-12% Co涂层的磨损表面损伤明显较轻微.
关键词:等离子喷涂; WC-12% Co涂层;摩擦磨损性能；热喷涂
同微米材料相比,纳米材料具有优异的力学、光学、声学、电学及磁学性能.与此相适应,近年来纳米技术研究取得了长足进展.随着纳米科学和技术的不断发展,传统的表面工程技术逐渐进入纳米表面工程时代[1].大量研究表明,以纳米结构粉末原料经各种热喷涂技术制备的纳米结构涂层表现出优异的性能[2~6],成为新材料工程领域的研究热点之一.
WC-Co涂层中的WC相具有高硬度和优良的耐磨性能,而Co相作为黏结相使得涂层具有较好的强度和韧性.正因为如此,WC-Co涂层以良好的抗滑动磨损、磨料磨损、微动磨损和冲蚀磨损等性能而被广泛用于航天、航空、汽车、冶金、机械等行业耐磨零部件的保护层[7].纳米WC-Co涂层的摩擦磨损性能同配副材料密切相关,鉴于此,本文作者利用等离子喷涂技术在1Cr18Ni9Ti不锈钢基体表面制备纳米和微米WC-Co涂层,并采用SRV摩擦磨损试验机对比考察了2种WC-Co涂层在干摩擦条件下分别与Si3N4陶瓷球和不锈钢球配副时的摩擦磨损性能,以期为2种涂层的工程应用提供实验依据和理论指导.
1 实验部分
1.1 涂层制备
利用Sulzer-Metco大气等离子喷涂系统以及F4-MB型喷枪制备纳米和微米WC-12%Co涂层,相应的喷涂参数分别为:电流650 A;电压69 V;送粉率20 r/min;喷涂距离100 mm;Ar/H2=50/10.喷涂喂料采用纳米和微米WC-12%Co粉末,其粒径分别为5~45μm(粉末粒度50~500 nm)和15~45μm,分别由美国Inframat公司和北京矿冶研究总院提供.底材选用尺寸为25mm×8mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢, 2种涂层的厚度均约为250μm.
1.2 摩擦磨损性能测试
采用Optimol-SRV型摩擦磨损试验机评价2种涂层的摩擦磨损性能,测试条件:载荷分别为20 N、30 N、40 N、50 N,振幅为1 mm,频率为15 Hz,时间为30min.偶件选用10mm的Si3N4陶瓷球和不锈钢球.摩擦系数直接从由记录仪读出;采用三维表面轮廓仪测得磨损体积,进而将磨损体积除以载荷和滑动距离得到磨损率,摩擦系数和磨损率均为3次试验结果的平均值.
1.3 涂层表征
采用表面粗糙度仪和MH-5-VM型显微硬度计分别测定涂层的表面粗糙度和显微硬度;采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)观察打磨抛光后的涂层截面和磨损表面形貌;采用Philips X’PertMPD X射线衍射仪(XRD)分析涂层的相结构.
2 结果与讨论
2.1 喂料粉末和涂层的组织结构
图1示出了微米和纳米WC-12% Co涂层的截面形貌[图1(a和b)]和表面形貌[图1(c和d)]SEM照片.可以看出, 2种涂层均具有等离子喷涂涂层的空洞、缝隙和部分未熔化及半熔化颗粒等典型特征[2, 8],但纳米WC-12%Co涂层的孔洞、半熔化和未熔化颗粒相对较少且孔隙较小,且比微米涂层更加致密.这是由于纳米颗粒的比表面能较大、在高温下的熔融性能更好的缘故.与此相对应,纳米WC-12%Co涂层的显微硬度较高,表面粗糙度较低(见表1).
图2示出了微米和纳米WC-12% Co喂料粉末及其相应涂层的XRD图谱.可以看出, 2种喂料粉末均由金属钴和碳化钨陶瓷2种物相组成,而经过等离子喷涂形成涂层后, 2种涂层主要由W2C相组成,同时含有少量的WC、WC1-x及Co3W3C相[7, 8].这是由于经高温等离子喷涂处理后,WC硬质陶瓷发生分解、金属Co发生氧化所致.总体而言, 2种喂料粉末的相组成基本相同,其相应的等离子喷涂涂层的相组成也基本相同.据此可以初步推测, 2种涂层的显微硬度和抗磨性能的差异不是由于其相组成差异所致,而很可能是由于其微观结构差异所致.纳米涂层的孔隙较少,细小的颗粒结合致使涂层的缺陷相对于微米涂层较少,在组成基本相同的情况下,纳米涂层的硬度相对较高.
2.2 涂层的摩擦磨损性能
图3示出了纳米和微米WC-12%Co涂层分别与Si3N4陶瓷球和不锈钢球配副时的摩擦系数随载荷变化的关系曲线.可以看出: 2种WC-12% Co涂层在干摩擦条件下分别与陶瓷和不锈钢配副时的摩擦系数变化趋势相似且相差不大,均随载荷增加而有所降低;在相同试验条件下,纳米WC-12% Co涂层的摩擦系数比微米WC-12%Co涂层略低;与不锈钢球配副时的摩擦系数比与Si3N4陶瓷球配副时稍大,而与不锈钢球配副时的摩擦系数波动幅度较小.图4示出了纳米和微米WC-12% Co涂层与Si3N4陶瓷球和不锈钢球配副时的磨损率随载荷变化的关系曲线.可以看出,与Si3N4陶瓷球配副时, 2种涂层的磨损率均随载荷增加而增大,且纳米涂层的磨损率明显较低,约为微米涂层的1/2~4/5.与不锈钢球配副时, 2种涂层的磨损率随载荷的增加而减小,且在20~50 N载荷范围内,纳米涂层的磨损率仅约为微米涂层磨损率的1/5.与此同时,对比图4(a和b)可知,纳米WC-12% Co涂层与不锈钢球配副时的磨损率远低于与Si3N4陶瓷球配副时的磨损率.这是由于WC-12%Co涂层、Si3N4陶瓷球和不锈钢球之间的硬度差异较大所致.涂层的硬度远高于不锈钢球的硬度,涂层与不锈钢球配副时,在摩擦过程中涂层磨损表面的剪切剥落明显受到抑制,涂层的磨损相对缓和,随着载荷增加,涂层的磨损率降低.涂层与Si3N4陶瓷球配副时,涂层的磨损相对剧烈.因此,随着载荷增加,涂层的磨损率上升.
2.3 磨损表面分析
图5和图6分别示出了纳米和微米WC-12%Co涂层在不同载荷下与Si3N4陶瓷球和不锈钢球配副时的磨损表面形貌SEM照片.从图5可以看出:与Si3N4陶瓷球配副时,微米WC-12% Co涂层在较低载荷(20 N)下,磨损表面呈出严重的微断裂和片状剥落特征,主要磨损机制为微断裂和剥落;在较高载荷(50 N)下,微米WC-12%Co涂层磨损表面呈现出较为明显的脆性断裂特征,存在大量的微断裂和剥落坑,其主要磨损机制为微断裂和表面疲劳磨损[见图5(a和b)].与微米WC-12% Co涂层有所不同,纳米WC-12% Co涂层在较低载荷(20 N)下与Si3N4陶瓷球配副时的磨损表面损伤较轻微,仅出现轻微擦伤和剥落迹象,而未见微断裂迹象,磨损机制为轻微磨粒磨损;在较高载荷(50 N)下与Si3N4陶瓷球配副时,纳米WC-12%Co涂层的磨损表面擦伤加剧,硬质颗粒发生脱落并形成剥落坑,主要磨损机制为较剧烈的磨粒磨损[图5(c和d)]. 2种涂层微观结构的差异是造成不同磨损机制的主要原因,微米WC-12%Co涂层的孔隙和裂缝相对较多,在摩擦过程中,涂层容易沿着孔隙和裂缝等处产生断裂和剥落[图1(a和c)].微米涂层在往复磨损和高载荷的交变应力作用下呈现出微断裂和疲劳磨损.而纳米涂层中的少量半熔化和未熔化喂料颗粒在摩擦过程中脱落,产生的硬质磨屑是造成磨粒磨损的主要原因[图1(b和d)].
由图6可见,与不锈钢配副时, 2种涂层在较低载荷(20 N)下的磨损表面损伤较轻微,主要磨损机制为轻微的黏着磨损[图6(a和c)].其原因在于不锈钢的硬度远低于涂层硬度,在摩擦过程中涂层磨损表面的剪切剥落明显受到抑制.当载荷提高到50 N时, 2种涂层与不锈钢配副时磨损表面的擦伤和剥落加剧,其中微米WC-12%Co涂层磨损表面呈现出明显的疲劳磨损特征,产生脆性微断裂,而纳米WC-12%Co涂层磨损表面的WC硬质颗粒出现了脱落[图6(b和d)].
总体而言,在相同试验条件下,纳米WC-12%Co涂层的磨损表面损伤相对较轻微,这同其较好的抗磨性能相对应.我们推测,纳米喂料粉末具有较强的比表面活性和小尺寸效应,在等离子高温作用下微米喂料粉末的熔化较为完全,涂层中颗粒之间的结合更加充分,致使纳米WC-12%Co涂层的微结构较为致密、硬度较高.因此,纳米WC-12%Co涂层的抗磨性能明显优于微米WC-12%Co涂层.
3 结论
a. 由陶瓷相WC和金属相Co组成的WC-12%Co喂料粉末经等离子喷涂处理后生成以W2C为主,兼含WC、W1-x及W3Co3C等相的金属陶瓷涂层.与微米WC-12% Co涂层相比,纳米WC-12% Co涂层的结构更加致密、表面粗糙度较低且显微硬度较高.
b. 在相同试验条件下,纳米和微米WC-12%Co涂层分别与Si3N4陶瓷球和不锈钢球配副时的摩擦系数相差不大,但纳米WC-12%Co涂层的抗磨性能明显优于微米WC-12%Co涂层.
c. 在相同试验条件下, 2种涂层的磨损机制差异不大,但纳米WC-12%Co涂层磨损表面的损伤较为轻微.这可能是由于纳米WC-12%Co涂层的微结构较为致密且硬度较高所致.
图略
参考文献略
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