(1. 河南工學(xué)院 機(jī)械工程系,新鄉(xiāng) 453002；2. 鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001)

機(jī)械液壓件的材質(zhì)選擇經(jīng)歷了普通灰鑄鐵，高合金鑄鐵，球墨鑄鐵至鋼的發(fā)展過程。其中，傳統(tǒng)液壓件一般使用球墨鑄鐵或合金鑄鐵，通過球化和孕育處理來提升鑄鐵的力學(xué)性能，但是存在強(qiáng)度低以及鑄造缺陷難以控制等問題。鋼質(zhì)液壓件具有無需鑄造、重量輕以及加工工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，目前已經(jīng)發(fā)展成為機(jī)械液壓桿的主流選擇。然而，鋼質(zhì)液壓桿的耐磨性和抗刮傷性能都要低于高強(qiáng)鑄鐵的，需要通過熱處理或者表面強(qiáng)化來提升其減摩性和抗刮傷性[1]。傳統(tǒng)的電鍍鉻和表面鑲嵌青銅等方法雖然能夠在一定程度上提高液壓桿的耐磨性能，但是存在環(huán)境污染嚴(yán)重、生產(chǎn)效率低以及成本較高等問題。等離子噴涂技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，有望在液壓桿的表面改性工藝中得以應(yīng)用[2]。目前，兼具高硬度和良好韌性的NiCr-Cr3C2涂層是熱噴涂陶瓷涂層的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一，但是該涂層存在摩擦因數(shù)較高的缺陷。如何降低涂層的摩擦因數(shù)是研究的重要方向。Mo元素可以增加該系列涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、提高韌性以及抗刮傷性等特點(diǎn)[3]。本工作采用等離子噴涂技術(shù)，機(jī)械混粉方法制備了不同Mo含量的Mo-(NiCr-Cr3C2)復(fù)合涂層，考察了涂層的顯微形貌、力學(xué)性能和耐磨性能，以期為機(jī)械液壓桿表面強(qiáng)化技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)基材為機(jī)械液壓桿用45鋼，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.44%C、0.26%Si、0.68%Mn、0.011%P、0.005%S、0.12%Cr、0.08%Ni、0.05%Cu，余量為Fe。等離子噴涂粉末包括粒徑50～80μm的Mo粉、粒徑46～85μm的NiCr-Cr3C2粉。采用機(jī)械法將Mo粉與NiCr-Cr3C2粉攪拌均勻，Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%的Mo-(NiCr-Cr3C2)，依次命名為NCC、80NCC、60NCC、40NCC、20NCC和Mo粉。

采用SG100型等離子噴槍在45鋼基材表面進(jìn)行噴涂，制備不同Mo含量的涂層，具體噴涂參數(shù)為：送粉速率為38 g/min，噴涂距離為90 mm，噴涂電流為480 A，噴涂電壓為55 V，保護(hù)氣(99.99%高純氬氣)流量為28 L/min。在進(jìn)行等離子噴涂前，先對(duì)基材試樣進(jìn)行清洗和烘干處理，并對(duì)表面進(jìn)行噴砂粗化。

1.2 試驗(yàn)方法

涂層試樣經(jīng)過鑲嵌、機(jī)械打磨和金剛石研磨膏拋光后，使用S-4800型掃描電子顯微鏡對(duì)涂層截面形貌進(jìn)行觀察，用EDX2000H能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分測(cè)試，并采用Image pro6圖像處理軟件隨機(jī)選取視場(chǎng)進(jìn)行孔隙率測(cè)定；按照ASTM C 633—2001《熱噴涂層的黏附力或黏結(jié)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，在MTS810萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，拉伸速率1.5 mm/min；根據(jù)GB/T 9790—1988《金屬覆蓋層及其他有關(guān)覆蓋層 維氏和努氏顯微硬度試驗(yàn)》，在HXD-1000型數(shù)顯維氏硬計(jì)上進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，載荷 200 g，加載時(shí)間10 s，并采用壓痕法測(cè)試涂層的彈性模量；在MR-H3A(5Ⅱ)高速環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)涂層進(jìn)行室溫干摩擦磨損試驗(yàn)，涂層試樣尺寸為12 mm×12 mm×20 mm，對(duì)磨材料為尺寸Φ50 mm ×13 mm 的含硼鑄鐵，測(cè)試前對(duì)涂層試樣進(jìn)行打磨和拋光處理，載荷150 N、磨損時(shí)間0.5 h、轉(zhuǎn)速230 r/min，試驗(yàn)完后將試樣進(jìn)行清水沖洗和酒精超聲處理，吹干后用NV-2000型白光干涉儀測(cè)定磨損體積，并采用島津UW8200S分析天平稱量磨損前后的質(zhì)量。

2 結(jié)果及討論

圖1為不同Mo含量復(fù)合涂層的截面形貌?？梢钥闯?，Mo、80NCC、60NCC、40NCC、20NCC和NCC涂層的截面都呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)特征，在等離子噴涂作用下，涂層中顆粒變形量較大，復(fù)合涂層中白色相為Mo、黑灰色相為陶瓷相Cr3C2、灰色相為黏結(jié)相NiCr，如圖中箭頭所示。同時(shí)在復(fù)合涂層中還可以發(fā)現(xiàn)尺寸不等，形狀不規(guī)則的黑色孔隙，且孔隙含量隨著Mo含量增加而減少，這說明Mo含量可以改善復(fù)合涂層的致密性。此外，在不含Mo的NCC涂層中可見明顯微裂紋，這主要是因?yàn)镹iCr-Cr3C2為硬脆相，在噴涂過程中由于塑性差而不易釋放內(nèi)應(yīng)力并產(chǎn)生微裂紋[4]。純Mo涂層截面致密性較高，未見明顯微裂紋存在，這主要與Mo在等離子噴涂過程中可以充分熔化有關(guān)。

圖2為不同Mo含量復(fù)合涂層的孔隙率和顯微硬度測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，隨著Mo含量的增加，復(fù)合涂層的孔隙率和顯微硬度整體都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，純Mo涂層的孔隙率僅為4.1%、顯微硬度為352 HV，相較于未添加Mo的NCC涂層的孔隙率減小48.1%、顯微硬度降低77.0%。由此可見，Mo的添加有助于減小復(fù)合涂層的孔隙率并降低了涂層的顯微硬度。這主要是因?yàn)镸o相較于NiCr-Cr3C2更容易變形鋪展，且具有更低的硬度[5]，因此復(fù)合涂層的孔隙率和顯微硬度都會(huì)隨著Mo含量增多而減小。

圖3為不同Mo含量復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，隨著Mo含量的增加，復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高而后減小的特征，80NCC涂層的結(jié)合強(qiáng)度最高(43.2 MPa)，而純Mo涂層的結(jié)合強(qiáng)度最低(25.6 MPa)，復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度與Mo含量呈非線性相關(guān)。

(a) NCC涂層

(b) 80NCC涂層

(c) 60NCC涂層

(d) 40NCC涂層

(e) 20NCC涂層

(f) Mo涂層

圖2 不同Mo含量復(fù)合涂層的孔隙率和顯微硬度Fig. 2 Porosity and micro-hardness of composite coatings with different Mo content

圖3 不同Mo含量復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度Fig. 3 Bonding strength of composite coatings with different Mo contents

圖4為不同Mo含量復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)測(cè)試結(jié)果。通常，磨合階段的摩擦因數(shù)會(huì)隨著磨損轉(zhuǎn)數(shù)增加而不斷增大，穩(wěn)定磨損階段的摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度較小，而異常磨損階段的摩擦因數(shù)會(huì)急劇增加。從圖4可見，Mo、80NCC、60NCC、40NCC、20NCC和NCC涂層的摩擦因數(shù)都隨著磨損轉(zhuǎn)數(shù)的增加而呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，但是都未出現(xiàn)異常磨損階段；穩(wěn)定磨損階段NCC涂層的摩擦因數(shù)都遠(yuǎn)高于其他復(fù)合涂層的，這主要與其高硬度有關(guān)，而純Mo涂層的摩擦因數(shù)整體較低，這主要與Mo涂層在噴涂過程中發(fā)生了氧化以及具有較低的硬度有關(guān)[6]。此外，80NCC涂層在磨損轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到800 r時(shí)就進(jìn)入了穩(wěn)定磨損階段，其他復(fù)合涂層在磨損轉(zhuǎn)數(shù)2 000 r左右才進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，這主要因?yàn)槟Σ烈驍?shù)較小的涂層，磨合期也相對(duì)較短[7]。

圖4 不同Mo含量復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)Fig. 4 Friction coefficients of composite coatings with different Mo content

圖5為不同Mo含量的復(fù)合涂層的磨損體積與對(duì)磨件的磨損量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥闯?，添加NiCr-Cr3C2的復(fù)合涂層的磨損體積都要小于純Mo涂層的，80NCC涂層的磨損體積最小(約為純Mo涂層的50%)，而NCC和60NCC涂層的磨損體積比80NCC涂層的大，這可能與涂層的微觀組織有關(guān)。從對(duì)磨件的磨損量統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，NCC涂層的對(duì)磨件磨損量最大，純Mo涂層的對(duì)磨件磨損量為負(fù)值，而20NCC、40NCC、60NCC和80NCC涂層的對(duì)磨件磨損量都在6.5～9.2 mg，明顯低于NCC涂層的對(duì)磨件磨損量，且80NCC涂層的對(duì)磨件磨損量為復(fù)合涂層中最小的。這主要與復(fù)合涂層中含有高硬度陶瓷相Cr3C2有關(guān)，高硬度陶瓷相使對(duì)磨件發(fā)生嚴(yán)重磨損，而純Mo涂層表面由于黏著磨損而發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移[8]，磨損體積表現(xiàn)為負(fù)值。綜合圖4的摩擦因數(shù)與圖5的磨損體積測(cè)試結(jié)果，80NCC涂層具有較低的摩擦因數(shù)、最小的磨損體積以及對(duì)磨件磨損量較小的特性，其耐磨性能最佳，這主要與復(fù)合涂層的孔隙率以及Mo和NiCr-Cr3C2相在涂層中的分布和含量有關(guān)[9]。

對(duì)純Mo、80NCC和NCC涂層的磨損形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示。對(duì)比分析可見，三種涂層的表面都沒有發(fā)現(xiàn)明顯犁溝，但是都存在不同程度的黏著現(xiàn)象，且黏著物主要在涂層表面凹陷處聚集，如圖6中箭頭A所指，相較而言，80NCC涂層表面黏著物較少，這些黏著物是摩擦磨損過程中產(chǎn)生的磨屑[10]。此外，80NCC和NCC涂層表面都可見微裂紋的存在，如圖6中箭頭B所指；其中，NCC涂層表面的微裂紋數(shù)量較多，這些微裂紋部分形成于等離子噴涂過程中，部分形成于摩擦磨損過程中。NCC涂層中的硬質(zhì)相Cr3C2在摩擦磨損過程中缺乏黏結(jié)相保護(hù)，且隨著摩擦磨損試驗(yàn)的進(jìn)行，形成微裂紋進(jìn)而演變成局部剝落，而80NCC涂層中的細(xì)小Cr3C2相會(huì)鑲嵌在黏結(jié)相NiCr中，且Mo和NiCr在摩擦磨損過程容易產(chǎn)生塑性變形而對(duì)涂層起到減摩作用[11]。

圖5 不同Mo含量的復(fù)合涂層的的磨損體積與對(duì)磨件的磨損量Fig. 5 The wear volume of composite coatings with different Mo content and the wear loss of abrasive parts

對(duì)純Mo和NCC涂層表面黏著物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖7所示。能譜分析結(jié)果可見，純Mo涂層表面黏著物主要為鐵氧化物，并含有少量鉬氧化物，而NCC涂層表面黏著物為鐵和鉻的氧化物。

(a) Mo涂層，低倍

(b) Mo涂層，高倍

(c) 80NCC涂層，低倍

(d) 80NCC涂層，高倍

(e) NCC涂層，低倍

(f) NCC涂層，高倍

(a) Mo涂層

(b) NCC涂層圖7 Mo和NCC涂層中黏著物的EDS譜Fig. 7 Energy spectra of adhesives in Mo (a) and NCC (b) coatings

根據(jù)LEYLAND等[12]總結(jié)出的超硬材料耐磨性與力學(xué)指標(biāo)硬彈比(硬度與彈性模量比)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表1列出了采用壓痕法測(cè)試的復(fù)合涂層的彈性模量與硬彈比。以涂層磨損體積Uf的倒數(shù)作為評(píng)價(jià)涂層耐磨性的考核指標(biāo)，繪制復(fù)合涂層耐磨性與硬彈比的關(guān)系曲線，如圖8所示。線性擬合可見，各涂層的耐磨性與硬彈比大致呈線性關(guān)系，其中80NCC涂層的硬彈比最大，耐磨性最好。這主要是因?yàn)橛矎棻仁呛饬客繉用壬鸭y的極限應(yīng)力的重要指標(biāo)，能夠在一定程度上反映材料的斷裂韌性，硬彈比越高則表明材料萌生裂紋的極限應(yīng)力更大、斷裂韌性較高，其抵御摩擦磨損的能力更強(qiáng)，耐磨性更好[13]。

表1 復(fù)合涂層的彈性模量與硬彈比Tab. 1 Elastic modulus and ratio of hardness to elastic modulus of composite coatings

圖8 復(fù)合涂層的耐磨性與硬彈比的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig. 8 Corresponding relationship between wear resistance and ratio of hardness to elastic modulus of composite coatings

3 結(jié)論

(1) Mo、80NCC、60NCC、40NCC、20NCC和NCC涂層的截面都呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)特征，涂層中白色相為Mo、黑灰色相為Cr3C2、灰色相為黏結(jié)相NiCr，同時(shí)在復(fù)合涂層中還可見形狀不規(guī)則的黑色孔隙；隨著Mo含量的增加，復(fù)合涂層的孔隙率和顯微硬度整體都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，純Mo涂層的孔隙率僅為4.1%、顯微硬度為352HV，相較于未添加Mo的NCC涂層的孔隙率減小48.1%、顯微硬度降低77.0%。

(2) 添加Mo的復(fù)合涂層的磨損體積都要小于純Mo涂層的，且80NCC涂層的磨損體積最小(約為純Mo涂層的50%)；純Mo涂層的對(duì)磨件磨損量為負(fù)值，而20NCC、40NCC、60NCC和80NCC涂層的對(duì)磨件磨損量都在6.5～9.2 mg，明顯低于NCC涂層的對(duì)磨件磨損量，80NCC涂層具有較低的摩擦因數(shù)、最小的磨損體積以及對(duì)磨件磨損量較小的特性，其耐磨性能最佳。

(3) 純Mo、80NCC和NCC涂層的磨損表面存在不同程度的黏著磨損，且含硬質(zhì)相Cr3C2的涂層中存在剝落現(xiàn)象；Mo、80NCC、60NCC、40NCC、20NCC和NCC涂層的耐磨性與涂層的硬彈比基本呈線性關(guān)系，且80NCC涂層的硬彈比最大，耐磨性最好。