WC-10Co-4Cr对等离子喷涂Mo涂层性能的影响

2018-10-15朱霞高康忠明戴红亮朱晖朝张忠诚

材料研究与应用 2018年3期

朱霞高，康忠明，戴红亮，朱晖朝，张忠诚

广东省新材料研究所，现代材料表面工程技术国家工程实验室，广东省现代表面工程技术重点实验室，广东广州 510650

等离子喷涂具有焰流温度高(高达15000～33000 ℃)、稳定性和可控性好、喷射粒子的速度快，喷涂过程可实现自动控制等特点[1]．钼是一种良好的减摩材料，服役过程中能够有效地降低摩擦系数．从二十世纪七十年代开始，国外便开始系统研究等离子喷涂Mo涂层，并成功应用于航空、汽车零件等领域中[2]．

随着工业的发展，纯Mo涂层难以满足不断提高性能的要求．通过在Mo粉中加入WC-10Co-4Cr，以期进一步提高Mo涂层减摩抗磨性能．同时，研究了不同添加量的WC-10Co-4Cr粉末对涂层的结合强度、浸油摩擦系数的影响，从而使Mo基涂层能够应用于重载、大扭矩工作环境中．

1 实验部分

1.1 涂层制备

等离子喷涂基体材料为80 mm×20 mm×4 mm的 A3钢钢板．喷涂前对样品板进行除油和喷砂处理，喷砂压力为0.35～0.45 MPa．等离子喷涂选用GTVMF-P-1500型高能等离子喷涂设备，等离子喷涂工艺参数列于表1．

表1 喷涂工艺参数

喷涂粉末为粒度25～45 μm的纯Mo粉末，图1为喷涂用粉显微形貌．从图1可见，喷涂粉末细小均匀(图1(a))，添加粉末为WC-10Co-4Cr，其粒度为5～30 μm(图1(b))．

图1 喷涂用粉显微形貌(a)Mo粉末；(b)WC-10Co-4Cr粉末Fig.1 Morphology of Mo and WC-10Co-4Cr powders(a)Mo powders；(b)WC-10Co-4Cr powders

1.2 方法

结合强度测试用GP-TS2000M万能试验机测定，试样尺寸为直径25.4 mm×38 mm．首先喷涂0.25 mm厚的涂层，用E7胶和对偶件粘结在一起，在100 ℃的保温箱内保温3 h，然后以1 mm/min的速度进行结合强度的检测．

浸油摩擦磨损试验用美国CETR UMT-3摩擦磨损试验仪，摩擦磨损样品为直径25 mm×6 mm的圆片，Mo基涂层厚度为0.35 mm，在润滑油中浸泡3 h，取出后擦干表面残余润滑油，然后放入摩擦磨损试验仪中进行对磨试验．摩擦磨损实验的对磨销材料为淬火态GCr15，磨损直径为16 mm，转速100 r/min，载荷压力8 kg，摩擦磨损时间30 min．

用JSM5910 SEM扫描电子显微镜观察涂层组织结构，用D/MAX-RC型X射线衍射仪器分析涂层的物相组成，通过氧氮测定仪测试Mo基涂层中氧含量，用HSRD-45型电动表面洛氏硬度计测量涂层硬度HR15N，主试验力15 kg·f,金刚石压头，总试验力保载时间2～6 s．

2 实验结果与讨论

2.1 涂层的组织结构

图2为添加了三种不同含量WC-10Co-4Cr的Mo基复合涂层的显微形貌．从图2可以看到：三种涂层与基体结合界面平整、无明显缺陷，表现出较好的结合状态；涂层均由近表面的疏松结构区和内部致密区构成，疏松结构区内粒子结合相对较差，但存在裂纹较少，致密区扁平粒子之间结合良好，并伴随有白色条带均匀分布其中；随着WC-10Co-4Cr添加量的增加，白色条带量也随之增多，此白色带状物质为熔化后铺展开来的WC-10Co-4Cr粒子，其较大的宽厚比说明喷涂过程中粒子熔化充分，这有利于形成高质量的涂层．

涂层孔隙率检测结果显示，三种涂层的孔隙率均为3.6%，处于较低水平，表明涂层有较高的力学性能．

对涂层做XRD分析(图3)，发现涂层内部除Mo外，还有MoO2及WC相．XRD图谱中的MoO2即是Mo在等离子喷涂过程中氧化的产物[3-4]．实际上MoO2有着较高的硬度，涂层中存在适量的MoO2相有利于提高涂层的抗磨性能．由WC-10Co-4Cr提供的WC一方面在喷涂过程中对已沉积涂层起到了夯实作用，使涂层致密、结合良好；另一方面，WC还与MoO2共同起到增强作用，弥补了单一Mo涂层在服役过程中减摩效果好但是抗磨性能不足的缺点．

2.2 涂层的性能

对不同WC-10Co-4Cr添加量的Mo基涂层进行氧含量、硬度、结合强度、浸油摩擦系数分析，结果列于表2．由表2可知，1#试样表面硬度最低，3#试样硬度最高．随着WC-10Co-4Cr添加量的增加，涂层的硬度逐渐增高.这是由于WC-10Co-4Cr颗粒随着Mo粉同时送入等离子射流之中，在飞行的过程中持续受热，WC-10Co-4Cr颗粒中的Co和Cr变成液态，WC细小的颗粒包裹在小液滴之中，撞击到基体表面瞬间扁平后凝固，因此WC细小的颗粒以片状一层一层弥散分布在涂层之中，提高了涂层的硬度．另外，WC-10Co-4Cr颗粒借助等离子射流喷出时获得一定的速度，撞击在已沉积涂层上，撞击过程中粒子的动能转变为沉积粒子的形变能和内能，随着WC-10Co-4Cr颗粒冲击次数的增多，沉积涂层形变程度增大，涂层粒子之间的间隙被挤压缩小甚至闭合的几率越大，从而达到缩孔和止裂的效果，增强了涂层与基体的机械咬合，增加了涂层内部层与层之间的内聚力，使涂层的硬度以及结合强度均逐渐提高．涂层中含氧量的逐渐减少，则是由于随着WC-10Co-4Cr含量的逐渐增加，相应Mo含量逐渐减少，涂层中生成的MoO2含量也逐渐减少，而由XRD结果可知涂层中只有MoO2相含氧，因此涂层中总的含氧量也逐渐降低．

图2 添加不同量WC-10Co-4Cr的Mo基涂层的显微形貌(a)，(b)1#样品涂层的低倍和高倍SEM图像；(c)，(d)2#样品涂层的低倍和高倍SEM图像；(e)，(f)3#样品涂层的低倍和高倍SEM图像Fig.2 SEM images of Mo based coatings with different WC-10Co-4Cr additive amount(a)，(b)low and high times SEM images of 1# sample；(c)，(d)low and high times SEM images of 2# sample；(e)，(f)low and high times SEM images of of 3# sample

表2 Mo基复合涂层的性能

图4为Mo基复合涂层浸油摩擦系数曲线图．由表3可知，1#试样的平均摩擦系数为0.1126,2#试样的平均摩擦系数为0.1137，3#试样的平均摩擦系数为0.1194．从图4可见，在整个摩擦磨损过程中摩擦系数逐渐增加，但增加幅度很小．这是因为涂层的孔隙率相差不大，浸油之后涂层孔隙存储的油量相差也不大，在对磨销往复运动的压力下，孔隙内油溢出到磨损表面会形成一层油膜，因此摩擦系数数值相差不大．

图4 不同WC-10Co-4Cr添加量Mo基涂层的浸油摩擦系数(a)1#样品；(b)2#样品；(c)3#样品Fig.4 Friction coefficient after oill immersion of Mo-base coatings with different WC-10Co-4Cr additive amount(a)1# sample；(b)2# sample；(c)3# sample