青铜-石墨复合粉末热喷涂层的干滑动摩擦磨损性能
支龙,王耀华,谭业发
机械工程材料
摘 要:研究了石墨含量和载荷等对青铜-石墨复合粉末热喷涂自润滑涂层干滑动摩擦磨损性能的影响。结果表明:青铜-石墨热喷涂层有很好的自润滑性能,石墨含量为6%的涂层抗磨损性能最优。
关键词:热喷涂;石墨;青铜;自润滑;摩擦磨损；热喷涂粉末
1 引 言
青铜基热喷涂层由于具有优良的力学性能、抗氧化、耐腐蚀、在油润滑状态具有耐磨损等特性,广泛应用于纺织机械、制药机械、食品机械及汽车中摩擦部件的表面改性和修复。但在干摩擦条件下,往往出现严重的粘着磨损,这在一定程度上限制了青铜基热喷涂材料的应用。作者从摩擦学角度对青铜基热喷涂层性能进行了研究,以期改善青铜基热喷涂层的力学性能和抗磨损性。
2 试样制备及试验方法
2.1 试样制备
青铜基主要成分为5%Ni、10%Al、余量Cu。试验中按质量分数分别加入3%、6%、9%、12%的石墨。粉末粒度均为-200~+300目。将粉末混匀,随后用QHT-7/h型高速火焰喷枪喷涂在45钢表面,线切割出自润滑试样,其尺寸为20 mm×15 mm×10 mm,喷涂层厚度为1.2~1.3 mm。涂层磨平后,表面粗糙度Ra=0.08~0.18μm,涂层厚度1 mm。
2.2 试验方法
摩擦磨损试验在MM-200型试验机上进行,下试样是GCr15钢环,尺寸为40 mm×10 mm,硬度60 HRC,线速度分别为0.8 m/s(400 r/min)和0·4 m/s(200 r/min),载荷50~250 N,试样和试环对磨时间10 min。在室温空气中、干摩擦条件下试验。试样接触形式为线接触,试样和对偶件试环在试验前均用900#水砂纸打磨,并用丙酮清洗,表面粗糙度Ra=0.08~0.18μm。试验前后的质量变化用BS124S型万分之一天平测定。用磨损率Wr=Wg/L来评价材料抗磨损性能(Wg为磨损质量损失,L为滑行距离),磨损质量损失取3个试样的平均值。用JMS 6300型扫描电镜(SEM)进行磨损表面形貌观测和涂层成分X射线能谱分析(XPS)。
3 结果与分析
3.1 石墨对涂层硬度和摩擦学性能的影响
由表1可见,随着石墨含量的增加,涂层硬度呈下降趋势。摩擦因数随石墨含量的增加而略有下降,从而说明,降低部分复合材料的硬度可获得一定程度的自润滑性能[2]。当石墨含量<6%时,涂层磨损率呈下降趋势;但当石墨含量超过6%后继续增加,则磨损率急剧上升。由图1和图2可见,灰色连续组织为青铜基体,黑色不连续组织为石墨相,由于片状的软质石墨相对基体有分隔作用,从而对材料的力学性能产生不利影响,导致结合强度下降。5#涂层的石墨分布面积明显大于3#涂层,石墨颗粒聚集严重。虽然石墨有减摩抗磨的作用,但过多的石墨使喷涂青铜粒子之间结合强度下降,摩擦时粒子会脱落,造成摩擦副之间严重的磨粒磨损,反而使涂层耐磨性能下降[3]。
根据以上分析不难理解,石墨的加入会导致涂层力学性能下降;石墨加入量越高,涂层强度损失越大。因此,当石墨含量大于9%时,涂层磨损率急剧增加。涂层材料中石墨含量偏少或偏多都会导致涂层摩擦磨损性能变差。本试验条件下石墨含量为6%的3#试样磨损率最低。
3.2 涂层磨损机理探讨
图3a、b分别为3#、5#试样在载荷150 N、滑动速度0.4 m/s的试验条件下经过10 min磨损后的表面SEM形貌,可见,磨损表面存在小面积粘着剥落和犁沟,这是摩擦副表面微凸体直接接触和摩擦温升所致。5#试样表面犁沟深,且有许多断裂的痕迹,表明涂层磨损比较严重,这是由于石墨含量比较高的涂层晶粒之间结合强度较低,在摩擦过程中喷涂粒子脱落,引起磨粒磨损造成的[4]。
3.3 载荷对涂层摩擦学性能的影响
图4为1#、3#试样在速度0.4 m/s试验条件下的磨损率曲线,可见,随载荷增加,磨损率增加。这主要是因为载荷增加,干摩擦表面温度升高,引起青铜基体发生从α+σ到α+β和β+σ的相变,使涂层硬度降低,导致粘着加剧,磨损率升高。1#试样在载荷为250 N时磨损率迅速上升,是由于在载荷较高时,摩擦副表面温度较高,发生严重的粘着磨损。3#试样在重载条件下优于1#试样,这是因为3#试样所含石墨在摩擦副表面形成的固体润滑膜有效阻止了涂层粘着磨损发生,从而降低了高载荷条件下的磨损率。
3.4 对偶件表面形貌及元素分析
图5、6分别为1#、3#试样GCr15钢对磨偶件在载荷200 N、滑动速度0.8 m/s的试验条件下经过10 min磨损后的表面SEM形貌。在与1#试样对磨偶件表面基本上被红色的具有金属光泽的青铜转移膜覆盖,其表面结构疏松。XPS分析表明转移膜主要由青铜及其氧化物组成,这是由于不含石墨的青铜涂层与对偶件直接接触,摩擦副界面温度较高,在摩擦热作用下接触区域的青铜发生局部熔融,导致粘着磨损增强,青铜向对偶件表面转移加剧,当载荷大于150 N时,1#试样磨损率急剧上升。3#试样对偶件表面XPS分析的主要成分为铁和氧,青铜只占到0.64%,磨损表面存在许多犁沟,这主要是摩擦温升导致表面金属氧化以及喷涂粒子脱落形成磨粒所致。由于热喷涂添加剂石墨在青铜-石墨涂层中是以独立质点形式存在,虽然它不能减少机械磨损,但却能有效减少分子作用造成的磨损。因为它在摩擦过程中被碾压成微小的颗粒,弥散分布在摩擦表面上,形成致密的保护膜[5]。在表面微凸体尖峰处起润滑作用,使摩擦副基体材料的直接接触面积大大减少,原来金属之间的摩擦转化为石墨与石墨转移膜之间的摩擦,减少了粘着磨损的发生,提高了涂层的抗磨损性。
4 结 论
(1)石墨的加入降低了青铜涂层的硬度,但适量的石墨会改善涂层的抗磨损性,在本试验条件下,6%的石墨加入量最优
(2)在干摩条件下,青铜-石墨涂层的磨损机理主要是粘着磨损和犁削磨损,在高载荷条件下还可能发生磨粒磨损,不含石墨的青铜涂层在高载荷条件下主要是粘着磨损。
(3)含3%~12%石墨的涂层,其摩擦因数在0.351~0.328之间变化,而磨损率在(1.679~3.288)×10-5g/m之间变化。
参考文献略；图略
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