二硫化鉬對碳化鎢涂層性能的影響

劉鑫　郭登明

【摘 要】利用爆炸噴涂設(shè)備制備了摻雜固體潤滑材料鎳包二硫化鉬碳化鎢涂層，制備了具有一定耐磨減摩的涂層，并研究了二硫化鉬的添加對涂層組織、力學(xué)性能、摩擦磨損性能的影響。

【關(guān)鍵詞】爆炸噴涂；耐磨涂層；二硫化鉬

0.引言

作為常用的一種耐磨涂層，WC-Co有較高的硬度，優(yōu)異的耐磨粒磨損性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工等領(lǐng)域。但由于其較高的硬度，導(dǎo)致體系中的摩擦系數(shù)偏高，在服役過程中加劇了與之匹配的摩擦副的磨損。因此通過添加具有潤滑性能的組分，研究出同時具有高硬度和低剪切強度的復(fù)合涂層，其研究具有可行性，同時對于提高關(guān)鍵部件的硬度、耐磨性、降低其摩擦系數(shù)達(dá)到一定的減摩性，提高設(shè)備壽命、延長設(shè)備檢修周期具有重要的意義。

爆炸噴涂做為制備耐磨涂層主要技術(shù)之一，具有噴涂速度快（最高可達(dá)1200m/s），涂層致密，孔隙率低等優(yōu)點[1]。本研究向碳化鎢涂層添加了固體潤滑材料鎳包二硫化鉬，采用爆炸噴涂技術(shù)制備一系列耐磨減摩涂層，研究二硫化鉬的添加對涂層組織、力學(xué)性能、摩擦磨損性能的影響。

1.實驗材料及方法

實驗所用材料為WC88-Co12wt%，MoS225-Ni75%wt，采用星式機械球磨機進(jìn)行混粉，基體材料為45#鋼，噴涂前經(jīng)噴砂處理。

實驗采用烏克蘭“第聶伯”型爆炸噴涂裝置，C2H2，O2和壓縮空氣的進(jìn)入是由一個“步進(jìn)氣缸”來完成的。噴涂參數(shù)在保證MoS2能夠在涂層中保留的前提下，需要兼顧WC-Co粉末能夠充分熔化，同時其氧化程度較小。基于此，試驗研究了噴涂參數(shù)對WC-Co、MoS2-Ni復(fù)合涂層的影響后，確定噴涂參數(shù)為：炮距170mm，氧、乙炔比為1.33，爆炸頻率5Hz，涂層厚度控制在0.25～0.3mm。

此實驗主要考慮MoS2-Ni添加量對涂層組織、摩擦磨損性能、力學(xué)性能的影響，并找出其合理的添加量。

2.實驗結(jié)果與討論

2.1 鎳包二硫化鉬對涂層組織的影響

本實驗使用掃描電鏡觀察涂層截面形貌，采用圖像法測量涂層孔隙率，X射線衍射儀分析涂層組成。圖1給出爆炸噴涂具有不同含量（0、10、20、30wt.%，分別以a、b、c、d代表）MoS2-Ni的涂層截面形貌。采用EDS分析得知，圖b、c、d中淺灰色細(xì)長條狀區(qū)域為MoS2-Ni，隨其添加量的增加，涂層中淺灰色區(qū)域面積增大。由圖還可發(fā)現(xiàn)隨著MoS2-Ni含量增加，涂層有孔隙增多且孔徑增大的趨勢，但整體上涂層組織均致密，孔隙率均在0.5～2.0之間。圖2給出對不同MoS2-Ni含量涂層進(jìn)行XRD表征結(jié)果，從圖可看出涂層均有W2C峰，涂層有不同程度的脫碳現(xiàn)象，但W2C峰強度均小于WC峰，說明涂層的組成仍以WC相為主。

2.2 鎳包二硫化鉬對涂層力學(xué)性能的影響

本試驗采用HXS-1000A智能顯微硬度儀測量涂層硬度，試驗載荷為300 g，加載時間為15s。結(jié)合強度采用WDW200型拉伸試驗機測量。具體測量步驟請參看文獻(xiàn)[2]。在爆炸噴涂過程中產(chǎn)生的強大的沖擊氣流使粉末粒子飛行速度迅速提高，可高達(dá)1200m/s，同時粒子在高溫下逐漸軟化，以很大的動能撞擊基體表面，與基體形成冶金、機械等結(jié)合，牢固的嵌合在基體表面，后來的粉末逐層疊加在其上，使涂層表現(xiàn)出非常高的顯微硬度的同時還擁有較高的結(jié)合強度。MoS2-Ni含量對涂層顯微硬度、結(jié)合強度的影響如表1所示。分析表明，隨著MoS2-Ni含量的增加，涂層顯微硬度逐漸下降，這與MoS2-Ni硬度較小，與WC-Co結(jié)合較差等有關(guān)。同時，由于二硫化鉬的強度與塑性幾乎為零，可近似看成裂紋，因此隨著MoS2-Ni含量的增加，涂層結(jié)合強度逐漸減小[3]。

2.3鎳包二硫化鉬對涂層摩擦性能的影響

在HK-1500數(shù)控摩擦磨損試驗機上以45#鋼、WC為摩擦副分別進(jìn)行摩擦磨損試驗。試驗條件為常溫、常壓，載荷300N，轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/min，每對摩擦副摩擦?xí)r間30min，潤滑介質(zhì)為水。

從表2可知，隨著MoS2-Ni含量的增加，涂層體積磨損逐漸減小，但當(dāng)其含量為30wt%時，體積磨損反而增大。分析認(rèn)為當(dāng)涂層中MoS2-Ni含量過多時，涂層顯微硬度、結(jié)合強度等均有大幅度降低，涂層組織疏松，導(dǎo)致磨損加劇。圖3給出了涂層磨損表面形貌圖，由圖可看出隨MoS2-Ni含量的增加，涂層表面磨損寬度逐漸變窄，但當(dāng)其含量為30wt%時，表面磨損寬度反而變寬。由此可知，當(dāng)添加20wt%MoS2-Ni時，涂層具有較好的耐磨損性能。

由圖4分析可知，當(dāng)以45#鋼、WC為摩擦副時摩擦系數(shù)均隨MoS2-Ni含量的增加而減小，但當(dāng)其含量為20wt%、30wt%時摩擦系數(shù)值相近，由此可分析出添加20wt%MoS2-Ni時，涂層能得到較低的摩擦系數(shù)值。

3.結(jié)論

通過向WC涂層添加固體潤滑劑成功制備耐磨減摩涂層。隨MoS2-Ni的添加，涂層顯微硬度、結(jié)合強度均下降。涂層摩擦磨損性能隨其含量的增加有所改善，當(dāng)MoS2-Ni添加量為20wt%時，涂層得到較好的耐磨減摩性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐濱士.表面工程與維修[M].北京：機械工業(yè)出版社.1996：85-87.

[2] GB/T8642-2002《熱噴涂抗拉強度的測定》.

[3] 潘金生.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.