二硫化钼对碳化钨涂层性能的影响

刘鑫　郭登明

【摘 要】利用爆炸喷涂设备制备了掺杂固体润滑材料镍包二硫化钼碳化钨涂层，制备了具有一定耐磨减摩的涂层，并研究了二硫化钼的添加对涂层组织、力学性能、摩擦磨损性能的影响。

【关键词】爆炸喷涂；耐磨涂层；二硫化钼

0.引言

作为常用的一种耐磨涂层，WC-Co有较高的硬度，优异的耐磨粒磨损性能，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。但由于其较高的硬度，导致体系中的摩擦系数偏高，在服役过程中加剧了与之匹配的摩擦副的磨损。因此通过添加具有润滑性能的组分，研究出同时具有高硬度和低剪切强度的复合涂层，其研究具有可行性，同时对于提高关键部件的硬度、耐磨性、降低其摩擦系数达到一定的减摩性，提高设备寿命、延长设备检修周期具有重要的意义。

爆炸喷涂做为制备耐磨涂层主要技术之一，具有喷涂速度快（最高可达1200m/s），涂层致密，孔隙率低等优点[1]。本研究向碳化钨涂层添加了固体润滑材料镍包二硫化钼，采用爆炸喷涂技术制备一系列耐磨减摩涂层，研究二硫化钼的添加对涂层组织、力学性能、摩擦磨损性能的影响。

1.实验材料及方法

实验所用材料为WC88-Co12wt%，MoS225-Ni75%wt，采用星式机械球磨机进行混粉，基体材料为45#钢，喷涂前经喷砂处理。

实验采用乌克兰“第聂伯”型爆炸喷涂装置，C2H2，O2和压缩空气的进入是由一个“步进气缸”来完成的。喷涂参数在保证MoS2能够在涂层中保留的前提下，需要兼顾WC-Co粉末能够充分熔化，同时其氧化程度较小。基于此，试验研究了喷涂参数对WC-Co、MoS2-Ni复合涂层的影响后，确定喷涂参数为：炮距170mm，氧、乙炔比为1.33，爆炸频率5Hz，涂层厚度控制在0.25～0.3mm。

此实验主要考虑MoS2-Ni添加量对涂层组织、摩擦磨损性能、力学性能的影响，并找出其合理的添加量。

2.实验结果与讨论

2.1 镍包二硫化钼对涂层组织的影响

本实验使用扫描电镜观察涂层截面形貌，采用图像法测量涂层孔隙率，X射线衍射仪分析涂层组成。图1给出爆炸喷涂具有不同含量（0、10、20、30wt.%，分别以a、b、c、d代表）MoS2-Ni的涂层截面形貌。采用EDS分析得知，图b、c、d中浅灰色细长条状区域为MoS2-Ni，随其添加量的增加，涂层中浅灰色区域面积增大。由图还可发现随着MoS2-Ni含量增加，涂层有孔隙增多且孔径增大的趋势，但整体上涂层组织均致密，孔隙率均在0.5～2.0之间。图2给出对不同MoS2-Ni含量涂层进行XRD表征结果，从图可看出涂层均有W2C峰，涂层有不同程度的脱碳现象，但W2C峰强度均小于WC峰，说明涂层的组成仍以WC相为主。

2.2 镍包二硫化钼对涂层力学性能的影响

本试验采用HXS-1000A智能显微硬度仪测量涂层硬度，试验载荷为300 g，加载时间为15s。结合强度采用WDW200型拉伸试验机测量。具体测量步骤请参看文献[2]。在爆炸喷涂过程中产生的强大的冲击气流使粉末粒子飞行速度迅速提高，可高达1200m/s，同时粒子在高温下逐渐软化，以很大的动能撞击基体表面，与基体形成冶金、机械等结合，牢固的嵌合在基体表面，后来的粉末逐层叠加在其上，使涂层表现出非常高的显微硬度的同时还拥有较高的结合强度。MoS2-Ni含量对涂层显微硬度、结合强度的影响如表1所示。分析表明，随着MoS2-Ni含量的增加，涂层显微硬度逐渐下降，这与MoS2-Ni硬度较小，与WC-Co结合较差等有关。同时，由于二硫化钼的强度与塑性几乎为零，可近似看成裂纹，因此随着MoS2-Ni含量的增加，涂层结合强度逐渐减小[3]。

2.3镍包二硫化钼对涂层摩擦性能的影响

在HK-1500数控摩擦磨损试验机上以45#钢、WC为摩擦副分别进行摩擦磨损试验。试验条件为常温、常压，载荷300N，转速为300转/min，每对摩擦副摩擦时间30min，润滑介质为水。

从表2可知，随着MoS2-Ni含量的增加，涂层体积磨损逐渐减小，但当其含量为30wt%时，体积磨损反而增大。分析认为当涂层中MoS2-Ni含量过多时，涂层显微硬度、结合强度等均有大幅度降低，涂层组织疏松，导致磨损加剧。图3给出了涂层磨损表面形貌图，由图可看出随MoS2-Ni含量的增加，涂层表面磨损宽度逐渐变窄，但当其含量为30wt%时，表面磨损宽度反而变宽。由此可知，当添加20wt%MoS2-Ni时，涂层具有较好的耐磨损性能。

由图4分析可知，当以45#钢、WC为摩擦副时摩擦系数均随MoS2-Ni含量的增加而减小，但当其含量为20wt%、30wt%时摩擦系数值相近，由此可分析出添加20wt%MoS2-Ni时，涂层能得到较低的摩擦系数值。

3.结论

通过向WC涂层添加固体润滑剂成功制备耐磨减摩涂层。随MoS2-Ni的添加，涂层显微硬度、结合强度均下降。涂层摩擦磨损性能随其含量的增加有所改善，当MoS2-Ni添加量为20wt%时，涂层得到较好的耐磨减摩性能。

参考文献：

[1] 徐滨士.表面工程与维修[M].北京：机械工业出版社.1996：85-87.

[2] GB/T8642-2002《热喷涂抗拉强度的测定》.

[3] 潘金生.材料科学基础[M].北京：清华大学出版社，1998.