蘇靜雨,蔡洪能,雷逸舟,魏志遠(yuǎn)
(西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)
摩擦副在工作時(shí)一般都會(huì)發(fā)生磨損,并且磨損量會(huì)隨著接觸面運(yùn)行速度的提高而增加。張志浩等[1, 2]的研究表明,摩擦往往伴隨著溫度的升高,摩擦越嚴(yán)重,磨損量越多,升溫就會(huì)越迅速,因此摩擦副在高速條件下的磨損會(huì)更加嚴(yán)重,升溫也會(huì)更加迅速,形成惡性循環(huán)。本工作的工件在高速滑動(dòng)環(huán)境下工作,最高速度可達(dá)到100 m/s,由于運(yùn)行過(guò)程易受非定常氣動(dòng)力和摩擦副表面不平順度等的影響,所以在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,摩擦副會(huì)產(chǎn)生間歇性的接觸和沖擊,導(dǎo)致材料需要承受非常高的應(yīng)變以及由摩擦熱產(chǎn)生的快速升溫所帶來(lái)的影響。Andrew等[3]的研究表明,由摩擦產(chǎn)生的大量熱使接觸面溫度迅速升高,能夠使金屬材料發(fā)生軟化,進(jìn)而影響其塑性變形過(guò)程。
熱噴涂,是指將涂層材料加熱熔化,用高速氣流將其霧化成極細(xì)的顆粒,并以很高的速度噴射到工件表面,形成涂層。根據(jù)選用涂層材料的不同,工件可以獲得耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、耐熱等一種或數(shù)種性能。本文將超音速火焰(HVOF)噴涂制得的涂層應(yīng)用在高速摩擦副中,起到了減摩耐磨且使溫度緩慢升高的作用。
金屬陶瓷是由金屬或合金粘結(jié)相與陶瓷硬質(zhì)相組成的復(fù)合材料,因此兼具金屬韌性好和陶瓷相硬度高、耐磨性好、耐腐蝕強(qiáng)等特點(diǎn)。在金屬表面噴涂金屬陶瓷涂層,不僅可以節(jié)省由于摩擦、腐蝕等因素帶來(lái)的材料損耗,而且制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。Tabakov等[4]指出,金屬陶瓷涂層以鎳、鉬及其他合金作為粘結(jié)相,以碳化物陶瓷芯及外圍包覆的碳化物固溶體(環(huán)形相)陶瓷顆粒作為硬質(zhì)相,由金屬粘結(jié)相和陶瓷顆粒硬質(zhì)相組成微觀組織來(lái)提高材料的結(jié)構(gòu)性能。曾愛(ài)香等[5]指出,金屬陶瓷涂層綜合了金屬材料和陶瓷材料兩者的優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金、切削刀具、模具和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。目前,以WC-Co、NiCr-Cr3C2等為代表的碳化物金屬陶瓷已被廣泛應(yīng)用于制造耐磨涂層,以提高零部件的使用壽命,其中NiCr-Cr3C2多用于530~900 ℃的磨損工況[6],可滿足工件在高速下的最高溫度(800 ℃)。Stewart等[7]通過(guò)對(duì)比常規(guī)復(fù)合材料和納米復(fù)合材料超音速火焰噴涂涂層的磨料磨損行為,發(fā)現(xiàn)納米復(fù)合材料制備的涂層具備更好的耐磨性能。眾多研究指出,目前超音速火焰噴涂涂層已被廣泛應(yīng)用于NiCr-Cr3C2等碳化物類(lèi)金屬陶瓷涂層材料的噴涂[8-12]。
Sliney[13]指出,在1000 ℃或更高溫度下,應(yīng)當(dāng)使用自潤(rùn)滑金屬陶瓷和無(wú)機(jī)復(fù)合材料。減摩自潤(rùn)滑復(fù)合粉末選用純金屬材料(Ni,Co,Ag,Cu,Cr,Mo,W,Ta等)包覆摩擦系數(shù)低、硬度低、具有自潤(rùn)滑性能的復(fù)合材料(石墨、MoS2、WSe2、CaF2、聚四氟乙烯等固體潤(rùn)滑劑)。Zhao等[14]指出,減摩自潤(rùn)滑涂層在滑動(dòng)摩擦過(guò)程中,包覆層金屬可提供足夠的結(jié)合強(qiáng)度和必要的力學(xué)性能,固體潤(rùn)滑劑則會(huì)在滑移表面形成一層低摩擦系數(shù)的轉(zhuǎn)化膜,因而該復(fù)合涂層具有良好的減摩潤(rùn)滑作用。所以,減摩自潤(rùn)滑涂層通常被用于制備無(wú)油潤(rùn)滑、干摩擦、邊界潤(rùn)滑條件下的機(jī)械摩擦副涂層。有研究者[15-19]也提出,常用的固體潤(rùn)滑劑有石墨和MoS2,二者均為層狀六方晶系結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)具有各向異性,因此在剪切力的作用下,這些容易滑移的晶面可使該固體潤(rùn)滑劑具有優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能。Ripoll等[20, 21]綜述道,MoS2是一種略帶銀灰色光澤的黑灰色粉末,化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性都很好,既與一般的金屬材料表面不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),又對(duì)橡膠材料無(wú)腐蝕。通常采用金屬Ni包覆MoS2顆粒,形成復(fù)合粉末材料,這樣不僅能提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度,潤(rùn)濕并固化MoS2顆粒,還可以提高涂層的耐熱和耐蝕性能。查柏林等[22]進(jìn)一步提出了利用摩擦材料的復(fù)合化,比如在Ni包MoS2粉末中引入增強(qiáng)相NiCr-Cr3C2,可以充分發(fā)揮自潤(rùn)滑材料和增強(qiáng)相各自的優(yōu)勢(shì),提高材料的減摩耐磨性能。
本文通過(guò)使用超音速火焰噴涂技術(shù)在Max300基體上制備含Ni包MoS2的NiCr-Cr3C2減摩耐磨復(fù)合涂層,對(duì)涂層制備工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)涂層進(jìn)行XRD和顯微組織分析,并對(duì)涂層的摩擦性能進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。該研究結(jié)果為高速條件下減摩耐磨涂層的制備提供了科學(xué)依據(jù)。
本次試驗(yàn)選用的涂層材料是含MoS2的NiCr-Cr3C2減摩耐磨復(fù)合涂層,其中NiCr-Cr3C2粉末來(lái)自美科公司,牌號(hào)為Woka7302。Woka7302粉末通過(guò)團(tuán)聚燒結(jié)和等離子致密化制備而成,該制備工藝可有效減少Woka7302粉末中的孔隙,使其致密化程度和球形度得到明顯提高,其工作溫度可達(dá)870 ℃,SEM照片如圖1a所示,可以看出該粉末粒度均勻。通過(guò)掃描電鏡分析可知,該粉末由長(zhǎng)條形的碳化物和金屬相包裹呈球形,且粉末致密度很高。圖1b的XRD分析結(jié)果也表明了該粉末主要由NiCr固溶相以及Cr3C2硬質(zhì)相組成。
圖1 Woka7302粉末的SEM照片(a)和XRD圖譜(b)Fig.1 SEM image (a) and XRD pattern (b) of Woka7302 powder
圖2a是Ni包MoS2粉末的SEM照片,可以看出該粉末呈扁平狀。由于該粉末是通過(guò)納米粉末團(tuán)聚得到的,因此其孔隙率較高且形狀不規(guī)則。圖2b是Ni包MoS2粉末的XRD分析圖譜,通過(guò)衍射峰可以看出,該粉末由Ni基體和MoS2組成,呈現(xiàn)雙相結(jié)構(gòu)。
圖2 Ni包MoS2粉末的SEM照片(a)和XRD圖譜(b)Fig.2 SEM image (a) and XRD pattern (b) of Ni-coated MoS2 powder
本次試驗(yàn)采用的基體材料為Vasco Max300鋼,化學(xué)成分如表1所示。摩擦副試樣制成Φ44×5 mm的圓盤(pán),厚度為5 mm。摩擦對(duì)副材料為U71Mn鋼,試樣制成銷(xiāo)。擬通過(guò)后續(xù)的銷(xiāo)盤(pán)試驗(yàn)進(jìn)行上述摩擦副材料減摩耐磨性能試驗(yàn)。
表1 Vasco Max300鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of Vasco Max300 (ω/%)
采用西安交通大學(xué)自主研制的CH-2000超音速火焰設(shè)備進(jìn)行噴涂,噴涂前需對(duì)基體進(jìn)行150 ℃的預(yù)熱。
首先使用超聲發(fā)生器以及濃度為3%的稀鹽酸對(duì)試樣表面進(jìn)行超聲酸洗,以除去樣品表面的銹蝕產(chǎn)物和氧化膜等,清洗時(shí)間為10 min。接著將酸洗過(guò)的噴涂基體試樣用丙酮清洗10 min,以除去基體試樣表面的油污。最后對(duì)噴涂基體進(jìn)行噴砂處理,噴砂壓力為0.3 MPa,噴砂時(shí)間為10 min。
采用機(jī)械混粉方式對(duì)兩種涂層粉末進(jìn)行混合??紤]到若混粉速率過(guò)小則粉末混合不均勻,混粉速率過(guò)大則粉末在剪切力作用下會(huì)發(fā)生破碎,容易堵槍?zhuān)栽诓殚單墨I(xiàn)和經(jīng)過(guò)幾次初步試驗(yàn)后確定混粉工藝參數(shù)為:混粉速率60 r/min,混粉時(shí)間8 h。涂層粉末充分混合后,將其置于真空爐中120 ℃保溫4 h,烘干水分后取出。
超音速火焰噴涂對(duì)涂層粉末的粒度也有一定的要求,在噴涂之前還需要用篩子把粉末篩選出來(lái),控制粉末顆粒尺寸范圍為40~100 μm。
3.2.1 Cr3C2-25NiCr涂層
基于當(dāng)前超音速火焰噴涂Cr3C2-25NiCr涂層的研究進(jìn)展,選取送粉速率、助燃?xì)饬魉俸腿細(xì)饬魉?個(gè)超音速火焰噴涂的主要工藝參數(shù)為研究對(duì)象,開(kāi)展涂層的三因素三水平正交試驗(yàn),探索這些參數(shù)對(duì)噴涂組織及性能的影響,得出最優(yōu)參數(shù)組合。
通過(guò)正交分析,可獲得涂層結(jié)構(gòu)與噴涂工藝參數(shù)之間的定量關(guān)系,在闡明定量結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,為探討結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)涂層減摩耐磨性能的影響規(guī)律、獲得超音速火焰噴涂Woka7302 Cr3C2-25NiCr涂層最優(yōu)參數(shù)組合提供參數(shù)。本次試驗(yàn)所用燃?xì)鉃楣I(yè)用丙烷氣體(C3H8),壓力為0.40 MPa;助燃?xì)鉃楣I(yè)用氧氣(O2),壓力為0.90 MPa;送粉氣為工業(yè)用氮?dú)?N2),壓力為0.40~0.48 MPa,流速為18 L/min,噴涂距離為180 mm。Woka7302 Cr3C2-25NiCr涂層噴涂參數(shù)取值如表2所示。根據(jù)送粉速率、O2流速和C3H8流速設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),根據(jù)結(jié)合強(qiáng)度、硬度和摩擦系數(shù)的權(quán)重進(jìn)行涂層性能綜合評(píng)價(jià),方案如表3所示。
表2 Woka7302 Cr3C2-25NiCr涂層噴涂參數(shù)水平與取值Table 2 Spraying parameter level and value of Woka7302 Cr3C2-25NiCr coating
表3 Woka7302 Cr3C2-25NiCr涂層正交試驗(yàn)噴涂方案及工藝參數(shù)Table 3 Orthogonal experimental spraying scheme and process parameters of Woka7302 Cr3C2-25NiCr coating
正交試驗(yàn)中,設(shè)計(jì)涂層厚度為300 μm,9組不同工藝參數(shù)組合下超音速火焰噴涂Cr3C2-25NiCr涂層的顯微組織形貌如圖3所示,其中圖3a~3i中的a~i涂層分別對(duì)應(yīng)1#~9#工藝參數(shù)組合。由圖3可知,Cr3C2-25NiCr涂層呈層狀結(jié)構(gòu),但層狀結(jié)構(gòu)不是很明顯。此外,借助EDS可分析得到涂層中有大量碳化物存在,這是由于采用超音速火焰噴涂時(shí),火焰溫度為3000 ℃左右,因此粉末粒子中的大部分碳化物得以保存在涂層中,使得涂層中碳化物含量較高,并導(dǎo)致涂層的孔隙率增加。9組不同參數(shù)下的涂層在碳化物含量和孔隙率方面差別明顯,這說(shuō)明送粉速率、O2和C3H8流速會(huì)在很大程度上影響涂層的組織結(jié)構(gòu),c涂層和f涂層中存在少量層間裂紋和縱向裂紋。對(duì)9組涂層進(jìn)行性能測(cè)試可以得出:f涂層孔隙率最高,為4.475%,c涂層孔隙率最低,為2.265%;d涂層碳化物含量最高,為63.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),f涂層碳化物含量最低,為47.9%;c涂層顯微硬度最高,為9827.5 MPa,d涂層顯微硬度最低,為7200.4 MPa;c涂層結(jié)合強(qiáng)度最高,為76.09 MPa,e涂層結(jié)合強(qiáng)度最低,為58.12 MPa;d涂層熱震次數(shù)最多,為15次,f涂層和h涂層熱震次數(shù)最少,為11次;e涂層磨損失重量最多,為3.8 mg,d涂層磨損失重量最少,為1.0 mg。
圖3 正交試驗(yàn)超音速火焰噴涂Woka7302 Cr3C2-25NiCr涂層的SEM照片(a~i)及局部EDS分析結(jié)果(j)Fig.3 SEM images (a~i) and local EDS analysis (j) of Woka7302 Cr3C2-25NiCr coatings sprayed by supersonic flame by orthogonal test
對(duì)上述正交試驗(yàn)的超音速火焰噴涂Woka7302 Cr3C2-25NiCr涂層i進(jìn)行X射線衍射分析,結(jié)果如圖4所示。涂層中主要為NiCr的固溶體相以及Cr3C2硬質(zhì)相,此外,涂層中還包含少量由于失碳而生成的Cr7C3和氧化而生成的Cr2O3。結(jié)合圖3可知,深灰色的為Cr3C2相均勻彌散分布在涂層中,淺灰色主要為NiCr粘結(jié)相以及Cr的氧化物、碳化物的混合相。
圖4 超音速火焰噴涂Woka7302 Cr3C2-25NiCr涂層的XRD分析圖譜Fig.4 XRD pattern of HVOF spraying Woka7302 Cr3C2-25NiCrcoatings
通過(guò)對(duì)上述9種情況進(jìn)行正交試驗(yàn)計(jì)算,可得出CH-2000超音速火焰噴涂Woka7302 Cr3C2-25NiCr涂層的最優(yōu)參數(shù)組合為:送粉速率41.2 g/min,O2流速183.3 L/min,C3H8流速16.8 L/min。
3.2.2 Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2減摩耐磨復(fù)合涂層
在上述正交試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上探索Ni包MoS2對(duì)Cr3C2-25NiCr涂層的影響,并得到最適宜的Ni包MoS2配比,使涂層在具備耐磨性能的同時(shí)增加一定的減摩性能。分別設(shè)置了4組超音速火焰噴涂試驗(yàn),其中Ni包MoS2含量分別為0%,8%,16%和24%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。噴涂時(shí)的燃?xì)?C3H8)、助燃?xì)?O2)壓力,送粉氣(N2)壓力與流量,噴涂距離與3.2.1節(jié)試驗(yàn)中取值相同,送粉速率、O2流速和C3H8流速取最優(yōu)值。超音速火焰噴涂Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2復(fù)合涂層的具體制樣方案如表4所示。
表4 超音速火焰噴涂Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2復(fù)合涂層試驗(yàn)方案Table 4 Test scheme of supersonic flame spraying Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2 composite coatings
3.3.1 微觀組織及成分
4組試驗(yàn)的涂層厚度均在200~300 μm之間,圖5a~5d為Ni包MoS2含量分別為0%,8%,16%和24%的Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2涂層的SEM照片。由圖5a可知,原始粉末中的不規(guī)則碳化物顆粒含量較高,涂層組織較為均勻。進(jìn)一步對(duì)涂層的孔隙率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示:4組涂層試樣斷面的孔隙率分別為2.26%,6.00%,0.50%和4.00%。由此可知,當(dāng)Ni包MoS2含量為8%時(shí),涂層孔隙率最高;當(dāng)Ni包MoS2含量為16%時(shí),涂層孔隙率最低,且此時(shí)涂層組織最為均勻致密。綜上,隨著Ni包MoS2含量的增加,涂層孔隙率呈現(xiàn)先增加后降低然后再增加的趨勢(shì)。此外,由圖5還可以觀察到,添加的Ni包MoS2含量不同,粉末粒子的熔化程度也不同,當(dāng)Ni包MoS2含量為24%時(shí),涂層中未熔顆粒的數(shù)量明顯增加。Ni包MoS2含量對(duì)Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2涂層的組織結(jié)構(gòu)影響顯著。
為確定涂層成分,利用掃描電鏡對(duì)含有16% Ni包MoS2的Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2涂層進(jìn)行EDS分析,EDS結(jié)果如圖6所示。由EDS分析結(jié)果可知,該涂層主要由3種成分組成,最暗的深灰色相(譜圖1)為原始粉末中的Cr3C2陶瓷相,最亮的白色相(譜圖2)為加入的Ni包MoS2,而淺灰色的相(譜圖3)主要是NiCr相和Cr碳化物的混合相。這3種相在涂層中均勻分布,從MoS2的分布來(lái)看,涂層中減摩成分較均勻,未出現(xiàn)明顯的聚集現(xiàn)象。結(jié)合圖5分析可知,隨著噴涂粉末中Ni包MoS2含量由0%增加至24%,涂層中實(shí)際保留下來(lái)的Ni包MoS2含量(亮白色區(qū)域含量)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。這是因?yàn)樘砑拥腘i包MoS2含量不同,粉末粒子的熔化程度也不同,當(dāng)Ni包MoS2的含量為24%時(shí),從微觀組織可以看出,涂層中未熔顆粒的數(shù)目明顯增加,導(dǎo)致Ni包MoS2含量反而變少。因此,當(dāng)Ni包MoS2的含量為16%時(shí),超音速火焰噴涂的涂層中Ni包MoS2含量最高。為進(jìn)一步分析該涂層的相成分,對(duì)其進(jìn)行了XRD分析,如圖7所示,涂層中的主要相為NiCr、Cr3C2陶瓷相以及Cr7C3。另外,由于Ni包MoS2粉末中MoS2只占25%左右,因此涂層中MoS2的含量較低,在XRD分析結(jié)果中,MoS2以微量相的形式存在。另外,涂層中也有少量Cr氧化物Cr2O3和Cr高碳化物Cr23C7存在。因此,可以推知:圖6中淺灰色相的主要成分是Cr3C2以及在噴涂過(guò)程中失碳生成的Cr7C3。
圖6 Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2涂層能譜分析結(jié)果(Ni包MoS2含量為16%)Fig.6 Energy spectra analysis results of Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2 Coating (16wt% Ni-coated MoS2)
圖7 Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2涂層X(jué)RD圖譜(Ni包MoS2含量為16%)Fig.7 XRD pattern of Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2 coating (16wt% Ni-coated MoS2)
3.3.2 摩擦性能
圖8是銷(xiāo)盤(pán)試驗(yàn)中4組涂層試樣和Max300鋼的穩(wěn)定摩擦因數(shù)。由圖8可知,未加入Ni包MoS2的Cr3C2-25NiCr涂層穩(wěn)定摩擦因數(shù)為0.72,高于Max300鋼的穩(wěn)定摩擦因數(shù)(0.60)。加入Ni包MoS2之后,涂層摩擦因數(shù)出現(xiàn)明顯下降,當(dāng)Ni包MoS2含量為16%時(shí),其穩(wěn)定摩擦因素最低,為0.45;進(jìn)一步增加Ni包MoS2含量至24%時(shí),摩擦因數(shù)出現(xiàn)小幅升高,這與最終涂層中保留的Ni包MoS2有關(guān)。Ni包MoS2含量分別為8%,16%和24%的Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2涂層穩(wěn)定摩擦因數(shù)與Max300基體相比,分別下降了16.7%,25%和20%,與未加入Ni包MoS2的Cr3C2-25NiCr涂層相比分別下降了30.5%,37.5%和33.3%。
圖8 不同Ni包MoS2含量Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2涂層及基體的穩(wěn)定摩擦因數(shù)Fig.8 Stable friction factors of Ni-25MoS2/Cr3C2-25NiCr coating and substrate with different Ni-coated MoS2 content
綜合來(lái)看,相比于沒(méi)有加入Ni包MoS2的Cr3C2-25NiCr涂層來(lái)說(shuō),加入了Ni包MoS2的Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2減摩耐磨涂層摩擦系數(shù)得到了明顯降低。且當(dāng)Ni包MoS2含量為16%時(shí),其摩擦系數(shù)降低幅度最大。
本研究首先采用正交試驗(yàn)方法計(jì)算出Cr3C2-25NiCr涂層粉末的最佳噴涂參數(shù),接著通過(guò)添加Ni包MoS2粉末制備了4種含有不同Ni包MoS2含量的Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2減摩耐磨涂層,并對(duì)該涂層的形貌、成分和摩擦系數(shù)進(jìn)行了分析與比較,并得出了以下結(jié)論:
(1)CH-2000超音速火焰噴涂Woka7302 Cr3C2-25NiCr涂層的最優(yōu)噴涂工藝參數(shù)組合為:送粉速率41.2 g/min,O2流速183.3 L/min,C3H8流速16.8 L/min。
(2)采用超音速火焰噴涂得到的Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2涂層主要由3種成分組成:Cr3C2、Ni包MoS2以及NiCr固溶相,同時(shí)還含有少量Cr7C3和Cr2O3。該涂層相分布均勻,減摩成分MoS2也分布較均勻,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的聚集現(xiàn)象。
(3)隨著Ni包MoS2含量的增加,涂層孔隙率呈現(xiàn)先增加后降低然后再增加的趨勢(shì)。當(dāng)Ni包MoS2含量為8%時(shí),涂層孔隙率最高;當(dāng)Ni包MoS2含量為16%時(shí),涂層孔隙率最低。
(4)4種不同Ni包MoS2含量的Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2減摩耐磨涂層的穩(wěn)定摩擦因數(shù)對(duì)比Max300基體均有了很大幅度的下降。相比于Max300基體,當(dāng)Ni包MoS2含量為16%時(shí),涂層摩擦因數(shù)降低了25%。