・２４・ 陶瓷 ２Ｏ１０．ＮＯ．６ 盒屠一淘瓷复合涂层的组织与磨损性能研究 韩玉良 董艳春 阎殿然。 （１中钢集团邢台机械轧辊有限公司 河北邢台０５４０２５） （２河北工业大学材料学院 天津３００１３０） 摘要利用等离子喷涂方法制备出Ｎｉ６０＋Ｎｉ／ＷＣ金属陶瓷复合涂层，分析了复合涂层的微观组织．采用自行设计并制 造的多用磨损试验机．研究了金属陶瓷复合涂层的磨损性能。研究发现加入适量的Ｎｉ／ＷＣ，可以提高涂层的耐磨性，复合 涂层磨损失效形式为微观切削、犁沟塑性变形、微观断裂（剥落）磨损和疲劳磨损机理。 关键词 Ｎｉ６０金属陶瓷复合涂层磨损性能 摩擦磨损是材料失效的主要形式［１］，随着科技的 ｌ所示。磨损试验采用环块相对滑动对磨的方式：试 进步，新技术不断被采用，材料的服役条件越来越苛 块固定不动，通过对磨环旋转实现相对滑动运动。磨 刻，对材料提出了新的要求。材料的摩擦磨损形式更 损实验所用对磨环的材料为ＧＣｒＩ５，硬度ＨＲＣ６０，尺 加复杂，特别是磨蚀共存的状态下对材料的性能要求 寸为 ３７ ｍｍ×１０ ｍｍ。所加载荷为３６．３Ｎ，试样与对 更高，例如泥浆泵的过流部件，水和浆料共同磨损。等 磨环接触面的相对滑动线速度为０．２７８ ｍ／ｓ。磨粒磨 离子喷涂是一种先进的涂层制备方法，可根据工件表 损采用湿磨，磨料采用粒度为８Ｏ目的ＳｉＯ。和水 面性能的要求，通过等离子喷涂相应的金属粉末、塑料 （３０ ）形成的中性砂浆。 粉末、陶瓷粉末、非金属矿物以及复合粉末材料等－２］， 涂层试样的金相分析采用ＰＨＩＬＩＰＳ ＸＬ３０／ＴＭＰ 可在常规金属材料表面获得各种特殊性能的涂层，其 型扫描电镜。同时借助ｘ一射线能谱分析仪，进行组 涂层厚度按需要控制，误差可控制在一０．０２５ ｍｍ～＋ 织中各点、线、面的元素分析。涂层及粉末的物相分析 ０．０２５ ｍｍ［３ ］。在泵的易磨损表面喷涂耐磨涂层，可 用ＰＨＩＬＩＰＳ Ｘ—Ｐｅｒｔ ＭＰＤ型Ｘ一射线衍射仪。 以有效提高易磨损部位的耐磨性，可大大提高泵的寿 １．２试验材料 命。因此，笔者研究了在金属材料表面制备Ｎｉ６０＋ 粘结底层采用Ｎｉ／ＡＩ（粒度为１６Ｏ～３２０目）合金 Ｎｉ／ＷＣ金属 陶瓷复合涂层，以及固液共存条件下涂 粉。耐磨涂层选用材料为Ｎｉ６Ｏ，成份见表Ｉ。 层的摩擦磨损行为。 １试验材料及方法 １．１ 试验方法 采用５０ｋｗ的等离子喷涂设备，ＢＴ—Ｇ３型等离 负载 子喷，采用外送粉方式喷制涂层。试样基体为 Ｑ２３５热轧钢板。试样尺寸为２０ ｍｍ×２５ ｍｍ×３ ｍｍ，试样的待喷表面经过喷砂或用粗砂轮打磨除去 图ｌ 多用磨损试验机设备示意图 铁锈，使试样表面粗化以提高涂层与基体的结合强度。 表１实验用Ｎｉ６０粉末成分（质量 ） 然后，再在粗化面上依次喷涂粘结底层及表面涂层。 涂层厚度为０．４～０．６ ｍｍ。磨损、腐蚀磨损试验均在 自行研制的多用磨损试验机上进行，设备示意图如图 为了增强镍基自熔性合金涂层的耐磨性能，将一 ２０ｌ０．ＮＯ．６ 陶瓷 ・ ２５ ・ 定比例的Ｎｉ／ＷＣ加入到Ｎｉ６０合金中，Ｎｉ／ＷＣ粉的粒 度为１５０￣３００目。Ｎｉ／ＷＣ成分见表２。 表２实验用Ｎｉ／ＷＣ粉末成分（质量％） ２ 试验结果与分析 ２．１镍基自熔合金涂层的显微组织与物相分析 图４ ＷＣ／Ｎｉ涂层的表面形貌（ＳＥＭ） 图２ Ｎｉ６０自熔性合金涂层的ＳＥＭ照片 ２．２镍基自熔合金涂层的摩擦磨损性能 吕 目 ＼ 岫１ 辎 恤 图２是Ｎｉ６０自熔性合金涂层表面形貌的ＳＥＭ照 片，可见，涂层组织为在基体上分布着少量第二相颗 时间／ｍｉｎ 粒，基体的硬度为ＨＶ７６０，第二相的硬度为ＨＶ１３００。 图６ Ｎｉ基合金涂层试样的体积磨损量时间关系曲线 图３为涂层的Ｘ一射线衍射结构分析。由图３可看 图６是Ｎｉ６０与不同含量ＷＣ复合涂层的磨损失 出，Ｎｉ６０自熔性合金涂层是由ＦｅＮ 、Ｎｉ Ｂ、Ｃｒ ＢＣ 等 重随时间变化的关系曲线，在浆料磨损过程中，ＷＣ含 相组成，基体相为ＦｅＮｉ ，其余为第二相。图４是Ｎｉ６０ 量较低时，随着ＷＣ陶瓷含量的增加，涂层的耐磨性 ＋２５ Ｎｉ／ＷＣ复合涂层表面形貌的扫描电镜照片，复 逐渐增强，２５ ＷＣ＋Ｎｉ６０涂层的耐磨性明显好于 合涂层是在基体上分布着一些白色颗粒及带状的第二 Ｎｉ６０合金涂层，ｌ０ ＷＣ＋Ｎｉ６０涂层的耐磨性介于 相，对第二相进行Ｘ一射线衍射分析可知，第二相主要 Ｎｉ６０合金和２５ ＷＣ＋Ｎｉ６０两种涂层之间，其磨损 由Ｗ２Ｃ构成（见图５所示）。 特性曲线略接近于Ｎｉ６０合金涂层的磨损特性曲线。 ・ ２６ ・ 陶瓷 ２Ｏ１Ｏ．ＮＯ．６ 试验还发现５０ ＷＣ十Ｎｉ６０合金涂层表现出了极高 的脆性，在磨损中表现出大面积剥落，且涂层很快就会 被磨穿，说明此种涂层耐磨粒磨损性能较差。 （ａ）Ｎｉ６０涂层试样 （ｂ）Ｎｉ６０＋ｌ０。Ｎｉ／ＷＣ涂层试样 （ｃ）Ｎｉ６０＋２５‰Ｎｉ／ＷＣ涂层试样 图７ 涂层试样的表面磨粒磨损形貌ＳＥＭ照片 图７是Ｎｉ６０自熔性合金和Ｎｉ６Ｏ＋ｌＯ Ｎｉ／ＷＣ、 Ｎｉ６０十２５ Ｎｉ／ＷＣ涂层试样的磨粒磨损形貌图。由 图７可看出：涂层磨粒磨损机理主要是磨粒对材料基 体相的微切削过程；Ｎｉ６ｏ自熔性合金涂层的磨损形貌 与ＷＣ／Ｎｉ６０有所不同，Ｎｉ６０试样的磨损表面有较为 明显的塑性变形沟槽，还有少量的小块的剥落坑；而在 Ｎｉ６０＋１０ Ｎｉ／ＷＣ涂层试样的磨损形貌照片中可看 到较短浅的犁沟和塑性变形槽，少量的剥落坑；在 Ｎｉ６０＋２５ Ｎｉ／ＷＣ涂层试样的磨损形貌照片中，犁沟 和塑性变形槽都明显变浅变少，还可发现硬质颗粒的 剥落坑，在上述涂层的磨损面上均未发现扩展性裂纹。 这３种涂层的磨损破坏形式是一样的，但以Ｎｉ６０＋ ２５ Ｎｉ／ＷＣ的磨损痕迹最不明显。 在ＷＣ／Ｎｉ６０涂层中ＷＣ颗粒和其它硬质相弥散 分布，提高了基体的硬度和强度，使得磨粒不易嵌入基 体，也有效地阻止锋利的磨粒对材料基体的微观切削 过程，同时也有效地保护了ＷＣ赖以存在的基础。 ｗＣ硬质点的存在还可使部分磨粒在与硬质相的摩擦 和碰撞挤压中被磨钝或破碎，从而降低了磨粒的磨削 性能。因此，就Ｎｉ６０和Ｎｉ６０十Ｎｉ／ＷＣ涂层比较而 言，Ｎｉ６０＋Ｎｉ／ＷＣ涂层具有更好的耐磨粒磨损性能。 但ＷＣ硬质相的含量必须适中，含量过少，对基体的 强化作用不明显，对微切削的阻碍作用较弱；但若含量 过多，如Ｎｉ６０＋５０ Ｎｉ／ＷＣ涂层，基体对ＷＣ硬质点 不能起到有效的镶嵌作用，在磨损过程中ＷＣ极易剥 落，从而也失去了对微切削的有效阻碍作用，使耐磨粒 磨损性能下降。 综上所述，①Ｎｉ６０十Ｎｉ／ＷＣ复合涂层微观组织为 ＦｅＮｉ 基体上分布着一些Ｎｉ Ｂ、Ｃｒ ＢＣ 、Ｗ２Ｃ第二相。 ②Ｎｉ６０＋２５ Ｎｉ／ＷＣ复合涂层的耐磨性最好，如果 ＷＣ的含量过高，基体对ＷＣ硬质点不能起到有效的 镶嵌作用，磨损性能下降。③复合涂层的磨损机理是 磨粒磨损，即微观切削机理和犁沟塑性变形机理，前者 为主要磨损机理。 参考文献 １周仲荣．摩擦学发展前沿．北京：科学出版社。２００６ ２高荣发．热喷涂．北京：化学工业出版社，１９９２ ３ Ｓｍｉｔｈ Ｒ Ｗ．Ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．ＰｌａｓｍａＴｅｅｈｎｉｋ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ。ｌ９９１（１）：１７～ｌ８ ４何洪泉，王峰，张兰．热喷涂系列综述之一：等离子喷 涂．山东陶瓷，２００５，２８（３）：ｌ４～ｌ７
