瓦楞辊表面喷涂硬质涂层耐磨性研究
陈 飞, 周 海, 吕 田
材料热处理技术
摘 要：利用等离子喷涂技术在瓦楞辊材料 42CrMo 合金钢表面喷涂 Cr3C2-NiCr 、Cr2O3两种硬质涂层。 测试了涂层的硬度、耐磨性，并用扫描电镜(SEM)分析了两种涂层的截面、表面形貌和厚度。 结果表明：等离子喷涂Cr3C2-NiCr 涂层后试样表面硬度达到 923.6 HV，而喷涂 Cr2O3涂层后试样表面硬度达到 1184.1 HV。 两种涂层均与基体结合紧密，有效减小了试样表面的摩擦系数，耐磨损性能也显著提高。
关键词：等离子喷涂； 硬质涂层； 耐磨性；热喷涂
生产包装纸箱用瓦楞纸的瓦楞辊辊面齿部，由于在运行过程中受到纸板及外来硬粒子的摩擦和磨损， 要求具有较高的硬度和较好的耐磨性。瓦楞辊一般用 42CrMo 合金钢等材料制成， 通过采用低温碳化或氮化和激光或高频表面淬火处理，使其表面形成一层硬化层。 此外，一般还在硬化层上电镀一层硬铬来进一步提高瓦楞辊表面的耐磨性。 瓦楞辊虽经上述处理， 但仍不能满足生产上对瓦楞辊材料的性能要求[1-7]。
目前， 我国每年需要用于生产包装纸箱用瓦楞纸的瓦楞辊约 8000 对， 价值达 6 亿元人民币，所以提高其表面耐磨性能， 延长其寿命必然将带来巨大的经济效益。 本研究利用等离子喷涂(Plasma Spraying)技术，在瓦楞滚材料 42CrMo 表面喷涂 Cr3C2-NiCr、Cr2O3两种涂层， 以期提高瓦楞辊表面的耐磨性能， 延长印刷包装行业的瓦楞辊使用寿命。
1 实验材料与方法
1.1 等离子喷涂
将 42CrMo 合金钢棒材用线切割机切割成为准20 mm 的试样，喷涂涂层前用砂纸将表面磨光，以除去表面的油污和锈斑， 然后再对试样表面进行喷砂处理， 使表面具有一定粗糙度之后用超声波清洗仪清洗试样表面，并用丙酮清洗试样，等表面吹干后，将试样固定在旋转工作台上，试样距喷枪的距离为 60 mm。 具体喷涂工艺见表 1。
1.2 检测方法
用 S250MK3 型英国剑桥扫描电子显微镜(SEM) 观测试样的截面显微组织及涂层厚度；用HMV-1T 型数字式智能显微硬度计测量渗层的显微硬度； 用 MFT-4000 型高速往复摩擦磨损试验机检测试样在干摩擦下的摩擦磨损性能。 偶件采用 准4.75mm 的 SAE52100 钢球，硬度 62HRC，载荷 20N，往复频率 2Hz，往复距离 5 mm，试验温度(20±2)℃，相对湿度(65±5)%，滑动时间 5min。
2 结果与分析
2.1 试样截面显微组织及显微硬度
图 1 是 试 样 经 过 等 离 子 喷 涂 Cr3C2-NiCr、Cr2O3两种涂层的截面显微组织 SEM 照片。 图中压痕为显微硬度压痕。可以看出，硬质涂层与基体结合紧密，Cr3C2-NiCr 涂层厚约 280 μm，Cr2O3涂层厚约 330μm。
图 2 是根据显微硬度测试结果画出的试样显微硬度分布曲线。通过数据比较可知，试样经等离子喷涂后表面显微硬度显著增加。 Cr3C2-NiCr 涂层的平均显微硬度达到 923.6 HV， 而 Cr2O3涂层的平均显微硬度达到了 1184.1 HV。 基体 42CrMo合金的显微硬度约为 255 HV。
2.2 涂层表面形貌
图 3 是两种涂层表面形貌的 SEM 照片。 可以看出，试样表面涂层颗粒大部分呈条形，有少量呈椭圆形，粒度较均匀。 涂层致密，由条带状或不规则颗粒状的熔融粒子相互搭接，逐层堆积而成，具有典型的层状结构形貌， 这是等离子涂层的基本特征之一。
2.3 磨损试验
经过高速往复摩擦磨损 试验测得的 原始42CrMo 合金试样和喷涂硬质涂层试样的摩擦系数曲线见图 4。 可知，摩擦系数曲线包括跑合阶段和稳定阶段。 而且在跑合阶段，摩擦副相互接触，由于试样表面存在许多微突体， 实际接触面积只占整个宏观接触面积的几千分之一， 使实际接触应力远大于名义接触应力。 接触点处的金属发生塑性变形， 致使整体接触的宏观应力场变成分散的微观应力场[8]。 在这种微观应力作用下，摩擦表面上的微突体发生变形，摩擦阻力增大。在这一阶段，摩擦表面有较大的磨损并发热，摩擦系数大且不稳定。
随着接触面积逐渐加大，摩擦系数降低，并趋于稳定，进入稳定阶段。原始 42CrMo 合金钢最大摩擦系数为 0.816，进入稳定阶段后表面平均摩擦系数为 0.626；而等离子喷涂 Cr2O3涂层后试样最大摩擦系数是 0.388，进入稳定阶段后表面平均摩擦系数仅为 0.328；等离子喷涂 Cr3C2-NiCr 涂层后试样最大摩擦系数是 0.262，进入稳定阶段后表面平均摩擦系数仅为 0.226； 进一步说明 Cr2O3涂层、Cr3C2-NiCr 涂层均提高了表面硬度，使材料的摩擦系数显著减小。
3 结论
(1) 利用等离子喷涂技术在 42CrMo 合金钢表面形成厚约 280μm 的致密 Cr3C2-NiCr 渗层 ，平均硬度为 923.6HV 以及厚约 330μm 的 Cr2O3涂层，平均硬度为 1184.1HV。
(2) 经等离子喷涂 Cr3C2-NiCr、Cr2O3硬质渗层后，42CrMo 合金钢表面抗磨损性能得到显著改善，摩擦系数分别降为 0.226 和 0.328.
参考文献略
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