等離子噴涂銅-石墨復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)與干摩擦磨損性能研究

云海濤， 梁 波， 季 珩， 鄭學(xué)斌

（1.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004;2.中國(guó)科學(xué)院特種無(wú)機(jī)涂層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中科院上海硅酸鹽研究所，上海200050;3.中國(guó)南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，湖南 株洲 412002）

銅-石墨材料由于具有銅的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性與石墨良好的潤(rùn)滑性能作為電刷材料應(yīng)用于多種電機(jī)設(shè)備中，特別是采用球磨鑄造、粉末冶金等方法制備的銅-石墨塊體材料，已經(jīng)在滑動(dòng)軸承、受電弓滑板、電車軌道上得到了很好的應(yīng)用［1～6］。但此方法用時(shí)長(zhǎng)，耗能大，因此促使了銅-石墨復(fù)合涂層的制備與研究。通過(guò)采用涂層技術(shù)，能夠有效改善材料表面性能，滿足實(shí)際需求，如耐磨涂層，不僅使材料在高溫等苛刻工況下具有優(yōu)良的耐磨性，同時(shí)也很好的解決了材料高耐磨性和韌性的矛盾，從而擴(kuò)大了材料的使用范圍。銅-石墨復(fù)合涂層不僅具有塊體材料的優(yōu)良性能，又能降低貴金屬的使用量，節(jié)約材料成本和稀有（貴重）金屬資源，初步研究表明其應(yīng)用前景十分廣闊。等離子噴涂技術(shù)是一種工藝簡(jiǎn)單、適應(yīng)性廣、涂層制備質(zhì)量高、易對(duì)難熔粉體噴涂的表面改性技術(shù)［7，8］。

采用化學(xué)鍍工藝制備的銅包石墨［9～12］噴涂粉體，是在石墨顆粒表面鍍覆一層銅，使石墨被完全包裹，有效改善了銅與石墨間的潤(rùn)濕性［13］。利用等離子噴涂銅包石墨復(fù)合粉體可以得到具有良好導(dǎo)電潤(rùn)滑性能的復(fù)合涂層。但由于商用噴涂粉體制備技術(shù)的限制，目前等離子噴涂銅-石墨復(fù)合涂層研究較少。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)大氣等離子噴涂技術(shù)制備了銅包石墨涂層，表征了涂層的顯微結(jié)構(gòu)，并利用UMT的球-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)小載荷、低滑動(dòng)速率條件下的摩擦磨損性能和磨損機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

基材選用316不銹鋼，噴涂粉體采用鍍銅石墨粉，其中銅含量為65%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），粉末粒度為50～70μm，如圖1所示。

1.2 等離子噴涂實(shí)驗(yàn)

采用大氣等離子噴涂設(shè)備，其中噴槍為Sulzer Metco 9MB Plasma Gun。噴涂前對(duì)基體進(jìn)行噴砂處理，噴涂粉末置于80℃干燥箱中烘干2h。噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 Gr-65%Cu粉形貌及EDS分析Fig.1 Morphology and EDS analysis of Gr-65%Cu composite powders

表1 大氣等離子噴涂工藝參數(shù)Table 1 Atmosphere plasma spraying parameters

1.3 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

采用CETR UMT-2型多功能摩擦磨損測(cè)試儀，摩擦盤尺寸為φ70mm×5mm，對(duì)磨件采用φ9.5mm的GCr15軸承鋼球。摩擦載荷設(shè)為 10，20，30，40，50，60N，滑動(dòng)速率設(shè)為 0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8m/s，滑動(dòng)距離為1000m。實(shí)驗(yàn)前將試樣拋光至粗糙度為Ra 0.4μm。實(shí)驗(yàn)前后用精度為0.1mg的電子天平對(duì)試樣進(jìn)行稱重。

1.4 分析測(cè)試方法

利用S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM，HITACHI，Japan），Kevex-Singma level4 型能譜儀（EDS，Kevex，USA），D-max-2500型X射線衍射儀（XRD，Rigaku，Japan）分別對(duì)粉體、涂層以及摩擦表面的形貌、成分及相組成進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層形貌及結(jié)構(gòu)表征

圖2為涂層表面形貌，涂層表面較平整，有少量氣孔，可以作為潤(rùn)滑劑的儲(chǔ)存場(chǎng)所［3］，且噴涂粉體顆粒間結(jié)合緊密。涂層截面形貌如圖3所示，灰色部分為銅基體，黑色部分為石墨，等離子噴涂的層狀結(jié)構(gòu)非常明顯，石墨顆粒均勻分布于整個(gè)涂層中，涂層較致密，層與層之間結(jié)合緊密，僅存在極少量的氣孔，涂層與基體的結(jié)合部位也沒(méi)有裂紋，顯示了良好的結(jié)合性能。這是由于噴涂過(guò)程中功率較低，石墨顆粒表面的銅包覆層燒損較少，因此，粉末沉積過(guò)程中，由于銅與銅、銅與鋼基體之間良好的潤(rùn)濕性使涂層間以及涂層與基體的結(jié)合較好。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以預(yù)見(jiàn)，涂層具有良好的摩擦磨損性能。

圖4為噴涂粉末的XRD分析，結(jié)合圖1可知，噴涂粉體純度較高，只含有C和Cu兩相，但經(jīng)過(guò)等離子噴涂，涂層中出現(xiàn)了少量的Cu2O相，如圖5所示。這是因?yàn)閲娡吭诖髿猸h(huán)境中進(jìn)行，等離子焰流中難免混入少量的氧氣，粉體在飛行過(guò)程中部分被氧化。由文獻(xiàn)［14，15］可知，金屬氧化物可以防止接觸表面上冷焊和咬合，因此少量Cu2O的生成對(duì)提高涂層的摩擦磨損性能有積極的影響，故在噴涂實(shí)驗(yàn)中不必特意加大氬氣流量來(lái)控制氧化。

2.2 滑動(dòng)速率對(duì)摩擦磨損性能的影響

不同載荷下，摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速率的變化曲線如圖6所示。載荷為20N時(shí)，摩擦系數(shù)先降低，然后基本上趨于穩(wěn)定，在0.03～0.06之間波動(dòng);載荷為50N時(shí)，摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定，在0.12～0.15之間波動(dòng)。這是由于大載荷利于潤(rùn)滑膜的形成，因此在不同速率下摩擦系數(shù)變化不大。

圖6 不同載荷下，摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速率的變化曲線Fig.6 Variation of friction coefficient with sliding speed

圖7為不同載荷下磨損率隨滑動(dòng)速率的變化曲線。載荷為20N和50N時(shí)，隨滑動(dòng)速率的增大，磨損率先降低后上升，在滑動(dòng)速率為0.3m/s時(shí)最低，且載荷較大時(shí)，磨損率也較大。

圖7 不同載荷下，磨損率隨滑動(dòng)速率的變化Fig.7 Variation of wear rate with sliding speed of the coating

圖8為20N載荷、不同滑動(dòng)速率下磨損表面的微觀形貌?；瑒?dòng)速率為0.2m/s時(shí)，鋼球?qū)ν繉颖砻嫫茐妮^小，僅僅發(fā)生了銅的輕微塑性變形，石墨并未形成完整的潤(rùn)滑膜，此時(shí)摩擦形式為銅與鋼球的直接接觸，摩擦系數(shù)較大;滑動(dòng)速率為0.3m/s時(shí)，涂層表面的銅被碾碎，石墨被擠出變形，在涂層與鋼球間形成了一層石墨潤(rùn)滑層，阻礙了銅與鋼球的接觸，起到減摩潤(rùn)滑作用，此時(shí)摩擦系數(shù)及磨損率降到最低;0.4m/s時(shí)，出現(xiàn)大量犁溝，這是由于摩擦過(guò)程中涂層表面溫度升高，產(chǎn)生部分氧化，銅的氧化物較脆，碎裂后形成第三體，對(duì)摩擦面產(chǎn)生犁削;滑動(dòng)速率為0.5m/s時(shí)，摩擦熱使涂層軟化，涂層塑性變形嚴(yán)重，此時(shí)磨損機(jī)制主要為黏著磨損;滑動(dòng)速率增大到0.8m/s時(shí)，鋼球?qū)ν繉拥募羟凶饔迷鰪?qiáng)，表面摩擦熱明顯增大，涂層軟化，塑性變形更易進(jìn)行，從而摩擦系數(shù)有所降低，磨損率急劇升高。

當(dāng)滑動(dòng)速率超過(guò)0.3m/s時(shí)，由于石墨潤(rùn)滑膜的形成，涂層摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定在0.03～0.06之間。磨損機(jī)制主要為粘著磨損。

2.3 載荷對(duì)摩擦磨損性能的影響

不同滑動(dòng)速率下，涂層摩擦系數(shù)隨載荷的變化如圖9所示。隨載荷的增大，摩擦系數(shù)先降低后上升，到60N時(shí)，又有所降低。載荷小于30N時(shí)，低速條件下比高速時(shí)的摩擦系數(shù)高，當(dāng)載荷增到30N以上時(shí)，速率越大摩擦數(shù)越高，且隨滑動(dòng)速率的增大，達(dá)到最小摩擦系數(shù)的載荷值越小。

圖8 20N載荷、不同滑動(dòng)速率下摩擦表面形貌Fig.8 SEM micrographs of worn surface of coating in the condition of 20N constant normal load and different sliding speeds（a）0.2m/s;（b）0.3m/s;（c）0.4m/s;（d）0.5m/s;（e）0.6m/s;（f）0.8m/s.

圖9 不同滑動(dòng)速率下，涂層摩擦系數(shù)隨載荷的變化Fig.9 Variation of friction coefficient with normal load of the coating

不同滑動(dòng)速率下，涂層磨損率隨載荷的變化如圖10所示。隨載荷的增大，涂層的磨損率呈單調(diào)遞增趨勢(shì)。從20N到40N，磨損率隨載荷增大變化不大，但當(dāng)載荷增大到40N以上時(shí)，磨損率急劇增大。

圖10 不同滑動(dòng)速率下，涂層磨損率隨載荷的變化Fig.10 Variation of wear rate with normal load of the coating

圖11為0.2m/s滑動(dòng)速率、不同載荷下摩損形貌。當(dāng)載荷較小時(shí)，如圖11a，b，鋼球與涂層中的銅直接接觸，涂層磨損較小，摩擦系數(shù)較大，接觸區(qū)并未形成完整的石墨潤(rùn)滑膜;當(dāng)載荷增大到30、40N時(shí)，涂層中石墨基面的取向逐漸趨于平行涂層表面，這有利于完整石墨潤(rùn)滑膜的形成，從而有效降低摩擦系數(shù);載荷繼續(xù)增大，石墨轉(zhuǎn)移膜不斷被消耗又不斷形成，因此磨損率急劇增大，此時(shí)鋼球壓入涂層深度亦增加，與涂層接觸面積增大，摩擦系數(shù)有所上升。

2.4 磨屑分析

磨屑形貌及成分分析如圖12所示，可見(jiàn)磨屑為層片狀，結(jié)合EDS分析，磨屑的形成主要是在摩擦過(guò)程中，涂層由于疲勞在亞表層的缺陷處產(chǎn)生裂紋，隨摩擦的進(jìn)行，裂紋不斷擴(kuò)展，從而直接從涂層中剝落。

3 結(jié)論

（1）等離子噴涂的Graphite-65%Cu復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)致密，噴涂后片狀石墨與銅結(jié)合良好，且復(fù)合涂層與不銹鋼基材界面結(jié)合牢固;石墨在涂層中分布均勻;物相組成主要為C，Cu和Cu2O三相;

（2）在大氣環(huán)境，載荷10～60N，滑動(dòng)速率為0.2～0.8m/s的試驗(yàn)范圍內(nèi)，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)在0.03～0.15范圍內(nèi)變化。最小摩擦系數(shù)（μf=0.03）出現(xiàn)在20N，0.3m/s條件下。摩擦副間石墨潤(rùn)滑膜的形成是涂層低摩擦系數(shù)的根本原因;

（3）磨損率呈現(xiàn)隨載荷增大而明顯增大的趨勢(shì);而隨滑動(dòng)速率的增大，涂層磨損率先降低然后增大，其中0.3m/s時(shí)磨損率最小。磨損機(jī)理表明，大載荷、高速率會(huì)造成涂層表面結(jié)構(gòu)不斷剝落，加劇磨損。主要磨損機(jī)制是粘著磨損，同時(shí)伴隨著一定的磨粒磨損。

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