耿哲 ，段德莉，劉陽，李曙

（1. 中國科學院金屬研究所，沈陽 110016；2. 清華大學 摩擦學國家重點實驗室，北京 100084）

熱噴涂WC-Co涂層廣泛應用于工業(yè)領域的耐磨部件，在延長使用壽命和降低制造成本方面發(fā)揮重要作用[1-2]。超音速火焰噴涂（HVOF）工藝具有粉末粒子飛行速度高、噴涂過程氧化燒損少的優(yōu)勢，可以制備硬度、孔隙率和耐磨性更優(yōu)的WC-Co 涂層[3-4]。

針對WC-Co涂層的摩擦磨損性能，研究者們大多關注粉末類型[5-6]、噴涂工藝[7-8]、涂層微觀結(jié)構(gòu)[9-10]、涂層機械性能[11]等因素對其產(chǎn)生的影響，而忽略了或者不作為重點討論摩擦條件的影響。WC-Co涂層的氧化行為與溫度關系密切[12]，涂層的損傷機制受到載荷的影響[13]，磨痕表面的摩擦氧化反應和氧化膜的去除量與速度和時間緊密相關[14]。因此，溫度、載荷、速度和時間等摩擦條件對WC-Co涂層的摩擦學行為會產(chǎn)生顯著影響。然而目前專門針對摩擦條件影響的系統(tǒng)研究較少，從而缺乏對不同摩擦條件下WC-Co涂層摩擦學行為規(guī)律的認識，限制了WC-Co涂層在實際工況條件下的應用。

因此，基于關注摩擦條件對熱噴涂WC-Co涂層摩擦磨損性能的影響，本文研究HVOF噴涂WC-17Co涂層在溫度、載荷、速度和磨損時間等不同摩擦條件下的摩擦學行為，重點分析溫度和載荷對熱噴涂WC-Co涂層摩擦學行為規(guī)律的影響，探索涂層的磨損機制。

1 樣品和實驗方法

采用HVOF工藝在Q235鋼上制備WC-17Co涂層。涂層的硬質(zhì)相組成經(jīng)X射線衍射（XRD）分析以WC為主，根據(jù)涂層截面金相和背散射電子像（BSE）照片測定涂層的厚度0.5～0.6mm，碳化物顆粒平均尺寸0.65μm。涂層的硬度為7.30GPa。

摩擦磨損試驗在GW/ML-MS型高溫球/盤試驗機上進行。盤試樣尺寸為30mm×30mm×6mm，涂層表面經(jīng)磨削后Ra為0.3 μm；對摩副選用直徑為Φ6.35的Si3N4陶瓷球，Ra小于0.1μm，硬度HRA大于95。盤試樣旋轉(zhuǎn)運動，通過砝碼加載于陶瓷球，摩擦副在爐腔體內(nèi)整體加熱。摩擦磨損試驗參數(shù)采用正交表L18(61×36)設計安排，如表1所示：溫度分別為25℃、250℃、350℃、450℃、550℃和650℃，載荷為8N、18N和28N，速度為0.12m/s、0.30m/s和0.48m/s，運行時間為2h、4h和6h。磨損量以磨痕體積計量，采用2206B型表面粗糙度儀測量磨痕圓周上10個點的截面輪廓，通過積分計算磨痕截面積取平均值，再乘以磨痕中線周長得到。摩擦系數(shù)取穩(wěn)定磨損期的平均值。

采用InspectF50和S-3400N掃描電鏡（SEM）觀測涂層截面微觀組織和磨痕表面形貌；采用WHR S-60表面洛式硬度儀（載荷147N，保持15s）測定涂層硬度；用XPert Pro型X射線衍射儀測定磨痕表面的物相組成。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦條件影響的方差分析

摩擦磨損試驗結(jié)果如表1所示。為研究各摩擦條件對熱噴涂WC-17Co涂層摩擦學行為的影響，對表1中的數(shù)據(jù)進行正交試驗的方差分析，結(jié)果如表2a～b所示。表2中S代表偏差平方和，DOF代表因素的自由度，V代表平均偏差平方和，等于S與DOF的比值，F(xiàn)為顯著性檢驗值，等于某種摩擦條件的V與誤差V的比值。

由表2a可知，溫度的F值大于F0.01(5，6)的值8.75，說明溫度對WC-17Co涂層磨損體積的影響高度顯著；其余摩擦條件的F值均小于F0.25(2，6)的值1.76，說明載荷、速度和時間對WC-17Co涂層的磨損體積沒有顯著影響；由各摩擦條件的F值大小判斷各摩擦條件對WC-17Co涂層磨損體積影響的顯著性主次順序為溫度、載荷、時間和速度。

表1 WC-17Co涂層的摩擦磨損試驗參數(shù)、磨損體積和摩擦系數(shù)Table 1 Parameters，wear volume and frictional coefficient of tribotests on WC-17Co coating

表2a 磨損體積（mm3）的方差分析Table 2a Variance analysis of wear volume (mm3)

表2b 摩擦系數(shù)的方差分析Table 2b Variance analysis of frictional coefficient

由表2b可知，溫度的F值大于F0.1(5，6)的值3.11，說明溫度對WC-17Co涂層摩擦系數(shù)的影響較顯著；載荷的F值大于F0.05(2，6)的值5.14，說明載荷對摩擦系數(shù)的影響顯著；速度的F值大于F0.25(2，6)的值1.76，說明速度對摩擦系數(shù)有影響但不顯著；由各摩擦條件的F值大小判斷它們對摩擦系數(shù)影響的顯著性主次順序為載荷、溫度、速度和時間。

上述分析表明溫度和載荷是影響熱噴涂WC-17Co涂層摩擦學行為的主要因素，而且溫度的影響更為重要。因此下文主要分析溫度和載荷對WC-17Co涂層摩擦磨損性能的影響,并采用單位滑動距離的磨損體積即磨損率來比較不同條件下涂層的磨損行為。

2.2 溫度的影響

不同載荷條件下，WC-17Co涂層的磨損率和摩擦系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律如圖1和2所示。圖中的曲線代表3種載荷條件下涂層磨損率或摩擦系數(shù)的平均值隨溫度變化的趨勢。由圖1可見3種載荷條件下，WC-17Co涂層的磨損在室溫～550℃范圍內(nèi)均較輕，650 ℃時涂層的磨損率呈數(shù)量級增加，說明涂層磨損嚴重。圖2表明WC-17Co涂層的摩擦系數(shù)在250 ℃以上隨溫度升高呈逐漸降低趨勢，可能與高溫條件下WC-17Co涂層的磨痕表面形成減摩的氧化產(chǎn)物有關。

圖1 WC-17Co涂層的磨損率隨溫度變化的規(guī)律Fig.1 Variation of wear rate of WC-17Co coating with temperature

圖2 WC-17Co涂層的摩擦系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律Fig.2 Variation of frictional coefficient of WC-17Co coating with temperature

WC-17Co涂層經(jīng)550℃和650℃，6h摩擦磨損試驗后（即表1中13號和18號試驗），磨痕外涂層表面氧化膜的截面微觀形貌如圖3所示。550℃試驗后，涂層表面的氧化膜非常薄，與涂層結(jié)合較好。650℃試驗后，涂層表面的氧化膜明顯增厚且含有較多孔隙。這種氧化膜較脆，顯然難以承載而會使涂層磨損嚴重。WC-17Co涂層在上述2種試驗條件下的磨痕形貌如圖4所示。550℃試驗后，涂層磨痕表面的氧化膜雖有部分小范圍的脫離，但與涂層黏附較好，能起到一定的保護涂層的作用。650℃試驗后，涂層磨痕表面氧化嚴重，氧化膜在載荷作用下發(fā)生翹起、開裂和脫落，難以抵抗磨損。

圖3 WC-17Co涂層表面氧化膜的截面微觀形貌Fig.3 Cross-sectional view of oxide film on WC-17Co coating surface

圖4 不同溫度條件下WC-17Co涂層的磨痕表面Fig.4 Worn surfaces of WC-17Co coating after tribotests at different temperatures

WC-17Co涂層經(jīng)不同溫度6h摩擦磨損試驗后的磨痕表面物相的X射線衍射分析如圖5所示。450℃以下涂層磨痕表面的物相與室溫相比沒有明顯變化，說明磨痕表面留存的氧化物較少。550℃和650℃時涂層磨痕表面出現(xiàn)WO3和CoWO4新相，并且以CoWO4為主。CoWO4具有減摩效果并且具有一定的耐磨能力[15]，使涂層在550℃時仍維持較好的摩擦學性能。然而650℃時涂層氧化嚴重，氧化膜疏松多孔難以承載而使涂層磨損嚴重。

圖5 WC-17Co涂層磨痕表面的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of worn track of WC-17Co coating

2.3 載荷的影響

不同溫度條件下，WC-17Co涂層的磨損率和摩擦系數(shù)隨載荷變化的規(guī)律如圖6和7所示。圖中曲線代表不同溫度條件下涂層磨損率或摩擦系數(shù)的平均值隨載荷變化的趨勢。由圖6可見WC-17Co涂層的磨損率隨載荷增加總體呈上升趨勢，特別在550℃和650℃條件下最為明顯；室溫～450℃范圍，涂層的磨損率隨載荷增加沒有明顯上升。圖7表明WC-17Co涂層的摩擦系數(shù)隨載荷增加呈下降趨勢，可能與磨痕表面氧化產(chǎn)物的減摩特性相關。

圖6 WC-17Co涂層的磨損率隨載荷變化的規(guī)律Fig.6 Variation of wear rate of WC-17Co coating with load

圖7 WC-17Co涂層的摩擦系數(shù)隨載荷變化的規(guī)律Fig.7 Variation of frictional coefficient of WC-17Co coating with load

WC-17Co涂層分別在450℃和550℃時經(jīng)8N和28N條件下的摩擦磨損試驗后（即表1中10號、12號、13號和15號試驗）的磨痕形貌如圖8所示。涂層經(jīng)450℃，8N試驗后，磨痕表面較為光滑，黏附少量氧化物并出現(xiàn)少量微裂紋，見圖8（a）；經(jīng)450℃，28N試驗后，磨痕表面留存的氧化物明顯增多，見圖8（b）；經(jīng)550℃，8N試驗后，磨痕表面的氧化膜雖有部分脫離但數(shù)量仍然較多，見圖8（c）；經(jīng)550℃，28N試驗后，磨痕表面留存的氧化物數(shù)量明顯減少，同時出現(xiàn)明顯的裂紋和涂層剝落，見圖8（d）。

圖8 不同載荷條件下WC-17Co涂層的磨痕表面Fig.8 Worn surfaces of WC-17Co coating under different loads

WC-17Co涂層的磨痕形貌分析表明，450℃時8N條件下涂層的磨損非常輕微；當載荷增加至28N時，載荷作用促進磨痕表面氧化物大量形成，這些氧化物能夠承載并且減少陶瓷球?qū)ν繉拥睦缦?，起到保護涂層表面的作用，從而使涂層的磨損率沒有明顯上升，同時氧化物具有潤滑減摩作用，使涂層的摩擦系數(shù)明顯下降。550℃時8N條件下涂層磨痕表面氧化物起到一定的保護涂層的作用，使涂層的磨損率維持在較低水平；當載荷增加至28N時，載荷作用易去除氧化物并造成涂層表面損傷，從而使涂層的磨損率較輕載時呈數(shù)量級上升。

綜上所述，在本文選擇的試驗條件范圍內(nèi)，溫度和載荷是影響熱噴涂WC-17Co涂層摩擦學行為的主要因素。在室溫～550℃范圍，溫度升高促進WC-Co涂層磨痕表面氧化物的形成，有利于降低摩擦系數(shù)，同時氧化物起到一定的保護涂層的作用，使涂層的磨損率增加緩慢；650℃時涂層氧化劇烈，氧化物疏松多孔難以承載，使涂層磨損非常嚴重。不同溫度條件下，載荷對涂層摩擦磨損機制的影響不同。在室溫～450℃范圍，載荷增加促進摩擦化學反應發(fā)生，形成的氧化產(chǎn)物能抵抗陶瓷球的犁削，使涂層的磨損率沒有明顯上升，并且氧化物具有潤滑減摩作用，使涂層的摩擦系數(shù)明顯下降，因此氧化物對改善涂層的摩擦磨損性能有利；550℃和650℃時，載荷增加使涂層的磨損機制以氧化物去除為主，同時造成涂層表面發(fā)生一定程度的機械損傷，從而加劇WC-Co涂層的磨損。

3 結(jié)論

（1）在本文試驗條件下，溫度和載荷是影響熱噴涂WC-17Co涂層摩擦學行為的主要因素。

（2）室溫～550℃范圍，溫度升高促進磨痕表面氧化物的形成，使WC-Co涂層的摩擦系數(shù)降低并且磨損率增加緩慢；650 ℃時劇烈氧化導致涂層磨損嚴重。

（3）室溫～450℃范圍，載荷增加促進摩擦過程中氧化物的形成，有利于改善WC-Co涂層的摩擦磨損性能；550℃和650℃時，載荷增加會加速去除氧化物且造成涂層表面機械損傷，從而加劇WC-Co涂層的磨損。