氧化铝弥散强化铝青铜涂层性能的研究
丁枢华，高峰，任先京，沈婕
热 喷 涂 技 术2010 年 3 月
摘 要：以自制的纳米氧化铝弥散强化铜铝合金为喷涂原材料，采用大气等离子喷涂技术制备了铝青铜涂层。对涂层的结合强度、硬度、耐磨性能进行了测量。利用扫描电镜和能谱仪分析了涂层组织。结果表明氧化铝颗粒在喷涂过程中形成的亚微米颗粒均匀的分散在涂层中，这些颗粒提高了的涂层的拉伸强度和耐磨性能，而硬度基本保持不变。对磨损后的涂层进行分析，结果表明强化铝青铜涂层的耐磨性是普通铝青铜涂层的 3 倍，其磨损机制为犁沟磨损，而普通铝青铜涂层主要为疲劳裂纹引起的颗粒脱落。
关键词：铝青铜；弥散强化；磨损机制；大气等离子喷涂
铝青铜是一种铜铝合金，其铝含量通常在7%~12%之间，为了提高该合金的性能，有时还会加入适量的镍、铁、锰等元素。铝青铜具有耐疲劳性能好、耐磨、耐蚀、耐低温和冲击不产生火花等优点，是一类综合性能优良的工程材料。广泛应用于机械工业、冶金工业、电气工业、飞机和汽车制造工业、船舶和海洋工业、铁道和机车工程以及建筑工业等高应力下工作的耐磨零件[1]。作为涂层材料，铝青铜既是一种表面修复材料又是一种重要的软质耐磨涂层材料，铝青铜材料的耐磨性能引人注目[2-3]。目前提高铝青铜材料耐磨性能的方法主要是提高铝含量或加入合金元素，通过改善铝青铜的组织特别是其中κ相的均匀分布提高材料的耐磨性能[4-5]。而近年来，采用纳米颗粒增强材料的耐磨性逐渐引起国内外研究学者的注意，并取得了令人满意的效果[6-7]。本论文以内生氧化铝弥散强化铝青铜作为涂层材料，采用大气等离子喷涂制备了新型耐磨铝青铜涂层，并对其耐磨性能进行了初步探讨。
1 试验
粉末原材料：自制的团聚包覆型弥散强化铝青铜粉末，粒度分布：+106μm<3%；-106+48μm>87%；-48μm<10%。
样片基体材质为A3 钢，尺寸为 50 mm×30 mm×5 mm，表面用丙酮清洗后,进行喷砂粗化处理。喷涂前将粉末进行烘干处理，烘干温度 120 ℃，烘干时间 30 min。喷涂设备采用德国 GTV 设备，采用 F4 枪进行大气等离子焰喷涂，喷涂工艺参数：电压 60 V，电流 450 A，喷涂距离 350 mm，送粉量 50 g/ min，涂层厚度为 0.3～0.4 mm。
摩擦磨损试验在自制的销盘式磨损试验机上进行，试验机结构如图 1 所示。所有磨损试样在实验前在磨损试验机上用 1000＃砂纸进行预磨，无水乙醇清洗干燥后称重。工作参数为：磨损材质：150＃WC 砂纸；转速：120 r/min；压重：4.6 kg。采用精度为 0.1 mg 的 DT2100 光电天平测定滑动摩擦前后铝青铜涂层试样质量的变化。采用XJL-03 型金相显微镜及 HITACHIS-3500 型扫描电子显微镜观察涂层组织和磨损实验后涂层表面形貌。
2 结果与讨论
2.1 涂层的基本性能
图 2 为大气等离子喷涂氧化铝弥散强化铝青铜粉末制的涂层横截面的背散射照片，从图 2 中可以看出，涂层与基体结合良好，涂层呈典型的片层状结构，对涂层进行进一步的微观结构分析，如图 3所示，涂层中主要存在两种颗粒，一种为黑色，粒径在 5～7 μm，涂层的主要成份为氧化铝，同时有少量的氧化铜；另一种颗粒直径在 0.5～0.7 μm 之间，主要成份为氧化铜，含有少量的氧化铝。
涂层的结合强度包括涂层颗粒之间的内聚强度（涂层自身结合强度）和涂层与基体材料之间的结合强度，一般来说涂层自身结合强度大于涂层与基体的结合强度，通常情况下只检测涂层与基体之间的结合强度。结合强度是指涂层与基体之间单位面积涂层从基体材料结合面上剥落下来所需要的力，是衡量涂层性能的一个重要指标。涂层结合强度过小，会引起涂层寿命降低，甚至造成涂层局部起皮、剥落无法使用。对含有弥散强化颗粒的涂层进行结合强度测量，涂层结合强度为 46 MPa，与普通等离子喷涂铝青铜涂层的结合强度（26 MPa）相比，是后者的 1.7 倍。对涂层的硬度进行测量，含有弥散强化颗粒的涂层硬度为 85HR15Y，与普通等离子喷涂铝青铜涂层的硬度基本相同。
2.2 涂层的耐磨性能
采用盘销法对涂层的耐磨性能进行测量，结果表明含有弥散强化颗粒涂层的耐磨性是普通铝青铜涂层的 3 倍，图 4、图 5 分别为含有弥散强化颗粒涂层和普通铝青铜涂层磨损相同时间后的表面形貌。图 4 中，涂层经过室温干滑动磨损后，表面发生了严重的磨损，磨损表面局部区域产生了严重的塑性变形，磨损表面上布满了较深的犁沟和许多尺寸大小不一的粘着片状磨屑，犁沟主要是因为材料受到磨料的挤压向两侧产生隆起，这种过程并不会直接引起材料的去除，但在多次变形后会产生脱落而形成二次磨屑。这些磨屑在随后的摩擦过程中会对基体产生如刨削一样的切削过程。而图 5 中，涂层由于疲劳裂纹的产生与扩展，表面颗粒脱落。对磨件的表面微凸体接触对表层连续产生塑性剪切作用，表层上的连续塑性剪切沿着滑移线产生裂纹并扩展，经过一定的循环后，沿着裂纹的扩展方向就产生碎片。对比图 4、图 5，含有弥散强化颗粒的涂层抗裂纹扩展能力和结合强度更高，因此涂层的磨损方式与普通铝青铜涂层不同，具有更好的耐磨性能。
3 结论
（1）采用大气等离子喷涂工艺制备了含有弥散强化颗粒的铝青铜涂层，弥散颗粒粒径在0.5~0.7μm 之间；涂层的硬度为 85HR15Y，涂层的拉伸强度是普通铝青铜涂层的 1.7 倍；
（2）含有弥散强化颗粒的铝青铜涂层的耐磨性是普通铝青铜涂层 3 倍，前者的磨损机制主要为犁沟，而后者的磨损机制主要是由于疲劳裂纹扩展引起的颗粒脱落。
参考文献略
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