等離子噴涂噴霧燒結(jié)型25NiCr-Cr₃C₂涂層摩擦磨損性能研究

李杰 高峰

摘 要：利用等離子噴涂技術(shù)，以噴霧燒結(jié)型25NiCr-Cr3C2為原料制備涂層。通過掃描電鏡（SEM）、能譜（EDS）、X射線衍射（XRD）、顯微硬度計(jì)等分析檢測方法和高溫摩擦磨損試驗(yàn)儀，研究了25NiCr-Cr3C2涂層組織結(jié)構(gòu)、硬度、孔隙率、結(jié)合強(qiáng)度和不同溫度下涂層摩擦損性能，并對磨損機(jī)制進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：磨損過程分為兩個階段：磨合期和穩(wěn)定期;隨著溫度升高，摩擦系數(shù)降低;800℃時涂層在磨損250s時因塑性變形而失效;摩擦磨損溫度從30℃分別升到600℃和700℃，磨損率分別增加5倍和8倍;700℃和800℃磨痕大小和磨損率變化不大，均發(fā)生了嚴(yán)重的塑形變形;涂層磨損行為主要是磨粒磨損和氧化磨損導(dǎo)致的疲勞磨損。

關(guān)鍵詞：等離子噴涂;噴霧燒結(jié)型;25NiCr-Cr3C2;不同溫度;摩擦磨損性能。

等離子噴涂（APS）由于其焰流溫度可達(dá)20000℃，能熔化幾乎所有的金屬、陶瓷材料，使之成為使用最廣泛的熱噴涂技術(shù)之一[1]。NiCr-Cr3C2金屬陶瓷涂層由于具有良好的高溫耐磨、抗腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電、冶金、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域的高溫部件表面的耐磨、抗腐蝕防護(hù)[2，3]。近年來，人們對NiCr-Cr3C2涂層及其耐磨性進(jìn)行了相當(dāng)多的研究，但主要集中在噴涂參數(shù)對涂層性能的影響，涂層磨損沖蝕性能和涂層常溫摩擦磨損性能研究，但對不同溫度下涂層的摩擦磨損行為及磨損機(jī)制研究還缺乏深入研究[4]。本文研究了涂層組織結(jié)構(gòu)、硬度、孔隙率，并對比分析了不同溫度下涂層的摩擦損性能，并對磨損機(jī)制進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為礦冶科技集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的噴霧燒結(jié)型25NiCr-Cr3C2粉末（產(chǎn)品牌號KF-70F），粉末粒度為-45+15μm。粉末形貌如圖1所示。

1.2 涂層制備

本實(shí)驗(yàn)采用Oerlikon metco公司生產(chǎn)的Unicoat Pro F4大氣等離子噴涂設(shè)備制備涂層，工藝參數(shù)如表1所示。

1.3 檢測方法

使用日本HITACHI公司生產(chǎn)的SU5000掃描電子顯微鏡（SEM）對各樣品微觀形貌進(jìn)行觀察。使用能量散射譜（EDS）功能，用于對試樣的化學(xué)成分進(jìn)行半定性分析。

使用德國BRUKER公司生產(chǎn)的D8 ADVANCE型X射線衍射儀（XRD）對各樣品進(jìn)行物相檢測分析。該設(shè)備工作加速電壓為40kV，工作電流為40mA，X衍射線使用Cu靶（1.54184A）Kα射線。檢測時設(shè)定衍射角度設(shè)定為2θ=20°～90°，步長0.02°，掃描速度12°/min。

使用402MVATM維氏硬度計(jì)對顯微硬度進(jìn)行測量。儀器選擇標(biāo)準(zhǔn)壓頭，在涂層上任取5個點(diǎn)，加載載荷300g，加載時間10s。

使用Image J軟件以灰度法進(jìn)行孔隙率的測定。

使用BRUKER公司生產(chǎn)的UMT Tribolab高溫摩擦磨損試驗(yàn)儀進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2。

使用BRUKER公司生產(chǎn)的Dektak XT臺階儀測量磨痕的輪廓。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 涂層組織和性能分析

圖2是25NiCr-Cr3C2粉末及涂層的XRD。從圖可知，粉末由NiCr、Cr3C2組成，而涂層中除了NiCr、Cr3C2，新出現(xiàn)的Cr7C3和Cr2O3分別是高溫下失碳和氧化的產(chǎn)物。

圖3為涂層截面形貌，可以看出涂層致密，元素分布較均勻，無明顯分層現(xiàn)象。

表3為涂層硬度和孔隙率數(shù)值，可以看出涂層硬度分布較均勻且孔隙率較低。

2.2 涂層摩擦磨損性能分析

圖4為25NiCr-Cr3C2涂層在30℃、600℃、700℃和800℃的摩擦磨損性能。

圖4-A為涂層摩擦系數(shù)曲線，可以看出，磨損過程分為兩個階段：磨合期和穩(wěn)定期，磨合期涂層摩擦系數(shù)波動較大，穩(wěn)定期摩擦系數(shù)波動不大;隨著溫度升高，摩擦系數(shù)降低，這是因?yàn)殡S著溫度的升高涂層表面形成的氧化膜增大，而氧化膜有助于降低涂層摩擦系數(shù)[5]。但800℃時涂層在磨損250s時摩擦系數(shù)極速下降然后開始寬幅震蕩，這是因?yàn)楦邷貢r涂層發(fā)生了軟化，在外壓力作用下產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑形變形而失效[6]。

圖4-B為涂層磨痕輪廓對比圖，圖4-C是磨痕深度和寬度對比圖，圖4-D是涂層磨損率對比圖。從這3張圖可以看出，摩擦磨損溫度從30℃分別升到600℃和700℃，磨痕逐漸變寬變深度，磨損率分別增加了5倍和8倍。 700℃和800℃的磨痕大小和磨損率變化不大。

2.3 涂層磨損機(jī)制分析

圖5是涂層磨痕形貌及其EDS分析結(jié)果。

從30℃-A、600℃-A、700℃-A、800℃-A可以看出，高溫時涂層磨痕寬度明顯加大，且磨痕周邊存在大量磨粒;在700℃/800℃時磨痕頂部出現(xiàn)明顯的塑形變形，且800℃時塑形變形更嚴(yán)重。

從30℃-B、600℃-B、700℃-B、800℃-B涂層磨損表面均存在沿滑動方向分別的細(xì)小犁溝，表明發(fā)生了磨粒磨損。30℃-C、600℃-C、700℃-C、800℃-C分別是其對應(yīng)涂層的EDS分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，磨損面的氧元素逐漸升高，說明磨損過程發(fā)生了氧化過程且溫度升高表面氧化更嚴(yán)重。

綜合涂層磨痕形貌和EDS結(jié)果，認(rèn)為兩種涂層磨損行為主要是磨粒磨損和氧化磨損導(dǎo)致的疲勞磨損[7]。其磨損過程為：達(dá)到設(shè)定溫度后，在摩擦副的磨損下，涂層表面產(chǎn)生大量犁溝，發(fā)生了磨粒磨損;在升溫過程中，粘結(jié)相NiCr已經(jīng)發(fā)生了氧化反應(yīng)形成了Cr2O3氧化膜，然后隨著摩擦的進(jìn)行，由于受到切應(yīng)力和擠壓力粘結(jié)相周圍的硬質(zhì)相率先剝落，進(jìn)而導(dǎo)致氧化膜受力產(chǎn)生疲勞脫落。

3 結(jié)論

磨損過程分為兩個階段：磨合期和穩(wěn)定期;隨著溫度升高，摩擦系數(shù)降低;800℃時涂層在磨損250s時因塑性變形而失效。

摩擦磨損溫度從30℃分別升到600℃和700℃，磨損率分別增加5倍和8倍。700℃和800℃磨痕大小和磨損率變化不大，均發(fā)生了嚴(yán)重的塑形變形。

涂層磨損行為主要是磨粒磨損和氧化磨損導(dǎo)致的疲勞磨損。

參考文獻(xiàn)：

[1]何龍，譚業(yè)發(fā)，周春華等.HVOF和APS制備WC-Co/NiCrBSi復(fù)合涂層高溫摩擦學(xué)特性研究[J].兵工學(xué)報(bào)， 2013，9（34）：1109-1115.

[2]郭永明，李緒強(qiáng)，王海軍等.超音速等離子噴涂NiCr-Cr3C2/Mo復(fù)合涂層的高溫摩擦磨損性能[J].中國表面工程，2012，5（25）：31-36.

[3]李振鐸，于月光，劉海飛等.高溫耐磨損Cr3C2-25NiCr涂層制備及其性能研究[J].有色金屬（冶煉部分），2006（增刊）：37-40.

[4]劉艷，茍國慶，涂銘旌.等離子噴涂NiCr-Cr3C2涂層高溫摩擦磨損性能研究[J].電焊機(jī)，2010，4（40）：75-81.

[5]王進(jìn)春，孔德軍.超音速火焰噴涂WC-12Co涂層高溫摩擦-磨損性能[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，3 （48）：608-616.

[6]牛少鵬，鄧暢光，張吉阜.超音速火焰噴涂碳化鉻基涂層的高溫摩擦磨損性能研究[J].表面技術(shù)，2013，6（41）：10-17.

[7]白楊，邢路闊，李相波等.中性鹽霧腐蝕對等離子噴涂NiCr-Cr3C2涂層摩擦磨損性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2017，5（46）：1404-1410.

作者簡介：

李杰（1984- ），男，漢族，河北省邢臺市人，碩士，工程師，北礦新材科技有限公司，研究方向：材料學(xué)。