引言：陶瓷材料的化学结构式中一般为共价键或者离子键结构,键能高,原子间结合力强,表面能低。因此,陶瓷涂层具有化学稳定性高、硬度高、熔点高、摩擦因数小以及独特的电、磁性能,可被广泛应用于特殊的工况环境,改善和提高机械零部件的使用可靠性。利用热喷涂技术在工件表面制备陶瓷功能性涂层,能以较低的成本和便利的操作实现工业化生产。目前,热喷涂氧化铝涂层和碳化钨涂层作为常用的耐蚀、耐磨陶瓷涂层在各个行业得到了广泛的应用[1~9],但关于这2种涂层之间的性能比较尚未见报道。有鉴于此,笔者通过摩擦磨损试验对这2种陶瓷涂层的综合性能进行比较,以便为其选用提供试验依据。
摘要:采用爆炸喷涂、超音速喷涂工艺制备了氧化铝、碳化钨涂层,并对2种涂层基本性能以及腐蚀、摩擦磨损特性进行比较分析。结果表明,超音速喷涂碳化钨涂层具有低孔隙率、高硬度、高结合强度、低表面能特点以及优异的耐蚀、耐磨性能。由于在喷涂过程中发生相变,爆炸喷涂氧化铝涂层产生了亚稳定相γ-Al2O3,在酸性环境下遭到腐蚀,其综合性能比碳化钨涂层差。
关键词:氧化铝涂层;碳化钨涂层;腐蚀;磨损；热喷涂粉末http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/
1 摩擦磨损试验
1.1 试验材料
试验用氧化铝热喷涂粉末中TiO2的质量分数为20%,粒度为25~45μm;试验用碳化钨热喷涂粉末WC-10Co4Cr粒度为15~45μm。试验涂层的基体材料为45钢。金相和表面能检测试样尺寸为50 mm×20 mm×5 mm,胶结拉伸结合强度试样尺寸为Φ25.4 mm×60 mm,腐蚀试样尺寸为Φ30 mm×50 mm,摩擦磨损销试样尺寸为10 mm×10 mm×14 mm。
1.2 试验方法
氧化铝热喷涂粉末喷涂工艺参数:喷涂距离180 mm,乙炔体积流量1.5 m3/h,氧气体积流量2.4 m3/h,氮气体积流量0. 3 m3/h,爆炸频率4次/s,线速度500 mm/min,热喷涂粉末输送的质量流量25 g/min。碳化钨热喷涂粉末喷涂工艺参数:喷涂距离380 mm,氧气体积流量943 L/min,燃油体积流量22.8 L/h,线速度500 mm/min,粉盘转速7. 5 r/min、枪管长度为15 cm。
腐蚀试验采用浸泡法,试验溶液配方为15%HCl+3%HF(质量分数),试验温度为18℃。摩擦磨损试验在自行研制的DSK-3型多功能数控摩擦磨损试验机上进行。试验在常温、常压下进行,载荷300 N,转速为300 r/min,每对试验摩擦副的摩擦时间为60 min,润滑介质为水,摩擦匹配副为丁腈橡胶。氧化铝热喷涂粉末喷涂采用乌克兰生产的Dnepr-3型爆炸喷涂设备,碳化钨热喷涂粉末喷涂采用普莱克斯公司生产的JP-5000型超音速喷涂设备。
2 试验结果及分析
2.1 涂层金相、硬度及结合强度
图1和图2分别为氧化铝涂层和碳化钨涂层的金相组织,可以看出氧化铝涂层存在较多的孔隙和夹杂物,而碳化钨涂层几乎没有孔隙和夹杂,涂层均匀致密,与基体结合良好。在某些应用条件下,涂层中的空隙对提高涂层的使用性能是有益的,例如对于油润滑条件下的耐磨涂层、高温下使用的热障涂层等。对于腐蚀环境,涂层中夹杂物的存在会降低涂层的化学稳定性。当腐蚀介质与夹杂物相遇时,夹杂物与腐蚀介质中的离子发生化学反应而溶解。夹杂物溶解,体积膨胀,造成局部区域的应力增大,促使涂层内裂纹的形成和扩展。涂层的孔隙为腐蚀液渗入提供了便利通道,缝隙腐蚀更加速了失效。涂层的结合强度是涂层的一个重要指标,结合强度较低会导致涂层在使用过程中脱落,而硬度对耐磨性有很大的影响。经测试,试验氧化铝涂层的平均硬度为737HV0.3,碳化钨涂层的平均硬度为1 030HV0.3,氧化铝涂层与基体材料结合强度的平均值为49.2 MPa(在涂层与基体之间开裂),碳化钨涂层与基体材料结合强度的平均值为76 MPa(在胶黏剂层开裂)。
2.2 相结构分析
图3和图4分别为氧化铝热喷涂粉末及其涂层的X射线衍射图,由图3和图4可以看出,氧化铝原始热喷涂粉末以α-Al2O3为主,其次还含有一定量的TiO2。而喷涂后的氧化铝涂层则由γ-Al2O3和α-Al2O3构成,另外还有少量的化合物。这是由于在喷涂过程中熔融的Al2O3冷却时,因γ-Al2O3与熔体的界面能小于α-Al2O3,因此,首先在熔融的Al2O3内形成γ-Al2O3核心,在随后的冷却中,依据冷却速度的不同,所发生的相变也不同。对于尺寸较小的Al2O3熔滴,由于冷却速度较快,γ-Al2O3一直保持到室温。而对于直径较大的熔滴,因其冷却速度较慢,将转变为α-Al2O3[10,11]。
图5和图6分别为碳化钨热喷涂粉末及其涂层的X射线衍射图,原始热喷涂粉末以WC为主,而喷涂后的涂层出现了一定量的W2C,但仍以WC为主,说明喷涂过程中出现了脱碳现象。
2.3 表面能
表面能低是陶瓷材料的重要特性之一,较低的表面能会减少垢物吸附及形核,避免材料表面结垢。通过测量接触角计算得出的试验氧化铝涂层表面能为37.6 kJ/m2、碳化钨涂层表面能为33.9 kJ/m2、镀铬层表面能为59.9 kJ/m2。这个结果说明氧化铝涂层和碳化钨涂层均具有较低的表面能,可作为防垢涂层使用。
2.4 耐腐蚀性能
图7和图8分别为氧化铝涂层、碳化钨涂层经过腐蚀后的形貌。由图7和图8可以看出,浸泡3 h的氧化铝涂层表面出现鼓泡以及颜色改变现象,涂层开始失效。α-Al2O3与HCl和HF并无反应,这是因为在喷涂过程中发生相变,产生了亚稳定相γ-Al2O3,在HCl与HF混合溶液中产生了如下化学反应:
TiO2+ HF→H2[TiF6] + H2O
γ-Al2O3+ HCl→AlCl3+H2O
上述反应导致氧化铝涂层腐蚀失效。而碳化钨涂层经过72 h浸泡后表面仍然光亮,并无腐蚀现象产生,这是由于喷涂后的涂层组织以WC和W2C为主,这两相均不会与酸反应。
2.5 摩擦磨损性能
在同样条件下对2种涂层与丁腈橡胶摩擦后丁腈橡胶的磨损量测定的结果为:①氧化铝涂层对丁腈橡胶磨损量为465 mm3。②碳化钨涂层对丁腈橡胶的磨损量为87 mm3。结果表明,碳化钨涂层对丁腈橡胶的磨损量要小于氧化铝涂层。摩擦因数测定显示,氧化铝涂层的平均摩擦因数为0.136 3,碳化钨涂层的平均摩擦因数为0.104 8,2种涂层的摩擦因数相差不大,但碳化钨涂层摩擦因数的波动性小于氧化铝涂层。
3 结论
(1)超音速喷涂的碳化钨涂层具有低孔隙率、高硬度、高结合强度、低表面能特点,在同样条件下其摩擦、耐蚀性能也优于氧化铝涂层。
(2)爆炸喷涂氧化铝涂层在喷涂过程中会发生相变,产生亚稳定相γ-Al2O3,因而在酸性环境下易被腐蚀。
图略
参考文献略
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