摩擦條件對(duì)超音速火焰噴涂WC-17Co涂層摩擦磨損性能的影響

耿哲 ，段德莉，劉陽(yáng)，李曙

（1. 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016；2. 清華大學(xué) 摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

熱噴涂WC-Co涂層廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的耐磨部件，在延長(zhǎng)使用壽命和降低制造成本方面發(fā)揮重要作用[1-2]。超音速火焰噴涂（HVOF）工藝具有粉末粒子飛行速度高、噴涂過(guò)程氧化燒損少的優(yōu)勢(shì)，可以制備硬度、孔隙率和耐磨性更優(yōu)的WC-Co 涂層[3-4]。

針對(duì)WC-Co涂層的摩擦磨損性能，研究者們大多關(guān)注粉末類型[5-6]、噴涂工藝[7-8]、涂層微觀結(jié)構(gòu)[9-10]、涂層機(jī)械性能[11]等因素對(duì)其產(chǎn)生的影響，而忽略了或者不作為重點(diǎn)討論摩擦條件的影響。WC-Co涂層的氧化行為與溫度關(guān)系密切[12]，涂層的損傷機(jī)制受到載荷的影響[13]，磨痕表面的摩擦氧化反應(yīng)和氧化膜的去除量與速度和時(shí)間緊密相關(guān)[14]。因此，溫度、載荷、速度和時(shí)間等摩擦條件對(duì)WC-Co涂層的摩擦學(xué)行為會(huì)產(chǎn)生顯著影響。然而目前專門針對(duì)摩擦條件影響的系統(tǒng)研究較少，從而缺乏對(duì)不同摩擦條件下WC-Co涂層摩擦學(xué)行為規(guī)律的認(rèn)識(shí)，限制了WC-Co涂層在實(shí)際工況條件下的應(yīng)用。

因此，基于關(guān)注摩擦條件對(duì)熱噴涂WC-Co涂層摩擦磨損性能的影響，本文研究HVOF噴涂WC-17Co涂層在溫度、載荷、速度和磨損時(shí)間等不同摩擦條件下的摩擦學(xué)行為，重點(diǎn)分析溫度和載荷對(duì)熱噴涂WC-Co涂層摩擦學(xué)行為規(guī)律的影響，探索涂層的磨損機(jī)制。

1 樣品和實(shí)驗(yàn)方法

采用HVOF工藝在Q235鋼上制備WC-17Co涂層。涂層的硬質(zhì)相組成經(jīng)X射線衍射（XRD）分析以WC為主，根據(jù)涂層截面金相和背散射電子像（BSE）照片測(cè)定涂層的厚度0.5～0.6mm，碳化物顆粒平均尺寸0.65μm。涂層的硬度為7.30GPa。

摩擦磨損試驗(yàn)在GW/ML-MS型高溫球/盤試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。盤試樣尺寸為30mm×30mm×6mm，涂層表面經(jīng)磨削后Ra為0.3 μm；對(duì)摩副選用直徑為Φ6.35的Si3N4陶瓷球，Ra小于0.1μm，硬度HRA大于95。盤試樣旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)砝碼加載于陶瓷球，摩擦副在爐腔體內(nèi)整體加熱。摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)采用正交表L18(61×36)設(shè)計(jì)安排，如表1所示：溫度分別為25℃、250℃、350℃、450℃、550℃和650℃，載荷為8N、18N和28N，速度為0.12m/s、0.30m/s和0.48m/s，運(yùn)行時(shí)間為2h、4h和6h。磨損量以磨痕體積計(jì)量，采用2206B型表面粗糙度儀測(cè)量磨痕圓周上10個(gè)點(diǎn)的截面輪廓，通過(guò)積分計(jì)算磨痕截面積取平均值，再乘以磨痕中線周長(zhǎng)得到。摩擦系數(shù)取穩(wěn)定磨損期的平均值。

采用InspectF50和S-3400N掃描電鏡（SEM）觀測(cè)涂層截面微觀組織和磨痕表面形貌；采用WHR S-60表面洛式硬度儀（載荷147N，保持15s）測(cè)定涂層硬度；用XPert Pro型X射線衍射儀測(cè)定磨痕表面的物相組成。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦條件影響的方差分析

摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。為研究各摩擦條件對(duì)熱噴涂WC-17Co涂層摩擦學(xué)行為的影響，對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交試驗(yàn)的方差分析，結(jié)果如表2a～b所示。表2中S代表偏差平方和，DOF代表因素的自由度，V代表平均偏差平方和，等于S與DOF的比值，F(xiàn)為顯著性檢驗(yàn)值，等于某種摩擦條件的V與誤差V的比值。

由表2a可知，溫度的F值大于F0.01(5，6)的值8.75，說(shuō)明溫度對(duì)WC-17Co涂層磨損體積的影響高度顯著；其余摩擦條件的F值均小于F0.25(2，6)的值1.76，說(shuō)明載荷、速度和時(shí)間對(duì)WC-17Co涂層的磨損體積沒(méi)有顯著影響；由各摩擦條件的F值大小判斷各摩擦條件對(duì)WC-17Co涂層磨損體積影響的顯著性主次順序?yàn)闇囟?、載荷、時(shí)間和速度。

表1 WC-17Co涂層的摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)、磨損體積和摩擦系數(shù)Table 1 Parameters，wear volume and frictional coefficient of tribotests on WC-17Co coating

表2a 磨損體積（mm3）的方差分析Table 2a Variance analysis of wear volume (mm3)

表2b 摩擦系數(shù)的方差分析Table 2b Variance analysis of frictional coefficient

由表2b可知，溫度的F值大于F0.1(5，6)的值3.11，說(shuō)明溫度對(duì)WC-17Co涂層摩擦系數(shù)的影響較顯著；載荷的F值大于F0.05(2，6)的值5.14，說(shuō)明載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響顯著；速度的F值大于F0.25(2，6)的值1.76，說(shuō)明速度對(duì)摩擦系數(shù)有影響但不顯著；由各摩擦條件的F值大小判斷它們對(duì)摩擦系數(shù)影響的顯著性主次順序?yàn)檩d荷、溫度、速度和時(shí)間。

上述分析表明溫度和載荷是影響熱噴涂WC-17Co涂層摩擦學(xué)行為的主要因素，而且溫度的影響更為重要。因此下文主要分析溫度和載荷對(duì)WC-17Co涂層摩擦磨損性能的影響,并采用單位滑動(dòng)距離的磨損體積即磨損率來(lái)比較不同條件下涂層的磨損行為。

2.2 溫度的影響

不同載荷條件下，WC-17Co涂層的磨損率和摩擦系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律如圖1和2所示。圖中的曲線代表3種載荷條件下涂層磨損率或摩擦系數(shù)的平均值隨溫度變化的趨勢(shì)。由圖1可見3種載荷條件下，WC-17Co涂層的磨損在室溫～550℃范圍內(nèi)均較輕，650 ℃時(shí)涂層的磨損率呈數(shù)量級(jí)增加，說(shuō)明涂層磨損嚴(yán)重。圖2表明WC-17Co涂層的摩擦系數(shù)在250 ℃以上隨溫度升高呈逐漸降低趨勢(shì)，可能與高溫條件下WC-17Co涂層的磨痕表面形成減摩的氧化產(chǎn)物有關(guān)。

圖1 WC-17Co涂層的磨損率隨溫度變化的規(guī)律Fig.1 Variation of wear rate of WC-17Co coating with temperature

圖2 WC-17Co涂層的摩擦系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律Fig.2 Variation of frictional coefficient of WC-17Co coating with temperature

WC-17Co涂層經(jīng)550℃和650℃，6h摩擦磨損試驗(yàn)后（即表1中13號(hào)和18號(hào)試驗(yàn)），磨痕外涂層表面氧化膜的截面微觀形貌如圖3所示。550℃試驗(yàn)后，涂層表面的氧化膜非常薄，與涂層結(jié)合較好。650℃試驗(yàn)后，涂層表面的氧化膜明顯增厚且含有較多孔隙。這種氧化膜較脆，顯然難以承載而會(huì)使涂層磨損嚴(yán)重。WC-17Co涂層在上述2種試驗(yàn)條件下的磨痕形貌如圖4所示。550℃試驗(yàn)后，涂層磨痕表面的氧化膜雖有部分小范圍的脫離，但與涂層黏附較好，能起到一定的保護(hù)涂層的作用。650℃試驗(yàn)后，涂層磨痕表面氧化嚴(yán)重，氧化膜在載荷作用下發(fā)生翹起、開裂和脫落，難以抵抗磨損。

圖3 WC-17Co涂層表面氧化膜的截面微觀形貌Fig.3 Cross-sectional view of oxide film on WC-17Co coating surface

圖4 不同溫度條件下WC-17Co涂層的磨痕表面Fig.4 Worn surfaces of WC-17Co coating after tribotests at different temperatures

WC-17Co涂層經(jīng)不同溫度6h摩擦磨損試驗(yàn)后的磨痕表面物相的X射線衍射分析如圖5所示。450℃以下涂層磨痕表面的物相與室溫相比沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明磨痕表面留存的氧化物較少。550℃和650℃時(shí)涂層磨痕表面出現(xiàn)WO3和CoWO4新相，并且以CoWO4為主。CoWO4具有減摩效果并且具有一定的耐磨能力[15]，使涂層在550℃時(shí)仍維持較好的摩擦學(xué)性能。然而650℃時(shí)涂層氧化嚴(yán)重，氧化膜疏松多孔難以承載而使涂層磨損嚴(yán)重。

圖5 WC-17Co涂層磨痕表面的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of worn track of WC-17Co coating

2.3 載荷的影響

不同溫度條件下，WC-17Co涂層的磨損率和摩擦系數(shù)隨載荷變化的規(guī)律如圖6和7所示。圖中曲線代表不同溫度條件下涂層磨損率或摩擦系數(shù)的平均值隨載荷變化的趨勢(shì)。由圖6可見WC-17Co涂層的磨損率隨載荷增加總體呈上升趨勢(shì)，特別在550℃和650℃條件下最為明顯；室溫～450℃范圍，涂層的磨損率隨載荷增加沒(méi)有明顯上升。圖7表明WC-17Co涂層的摩擦系數(shù)隨載荷增加呈下降趨勢(shì)，可能與磨痕表面氧化產(chǎn)物的減摩特性相關(guān)。

圖6 WC-17Co涂層的磨損率隨載荷變化的規(guī)律Fig.6 Variation of wear rate of WC-17Co coating with load

圖7 WC-17Co涂層的摩擦系數(shù)隨載荷變化的規(guī)律Fig.7 Variation of frictional coefficient of WC-17Co coating with load

WC-17Co涂層分別在450℃和550℃時(shí)經(jīng)8N和28N條件下的摩擦磨損試驗(yàn)后（即表1中10號(hào)、12號(hào)、13號(hào)和15號(hào)試驗(yàn)）的磨痕形貌如圖8所示。涂層經(jīng)450℃，8N試驗(yàn)后，磨痕表面較為光滑，黏附少量氧化物并出現(xiàn)少量微裂紋，見圖8（a）；經(jīng)450℃，28N試驗(yàn)后，磨痕表面留存的氧化物明顯增多，見圖8（b）；經(jīng)550℃，8N試驗(yàn)后，磨痕表面的氧化膜雖有部分脫離但數(shù)量仍然較多，見圖8（c）；經(jīng)550℃，28N試驗(yàn)后，磨痕表面留存的氧化物數(shù)量明顯減少，同時(shí)出現(xiàn)明顯的裂紋和涂層剝落，見圖8（d）。

圖8 不同載荷條件下WC-17Co涂層的磨痕表面Fig.8 Worn surfaces of WC-17Co coating under different loads

WC-17Co涂層的磨痕形貌分析表明，450℃時(shí)8N條件下涂層的磨損非常輕微；當(dāng)載荷增加至28N時(shí)，載荷作用促進(jìn)磨痕表面氧化物大量形成，這些氧化物能夠承載并且減少陶瓷球?qū)ν繉拥睦缦?，起到保護(hù)涂層表面的作用，從而使涂層的磨損率沒(méi)有明顯上升，同時(shí)氧化物具有潤(rùn)滑減摩作用，使涂層的摩擦系數(shù)明顯下降。550℃時(shí)8N條件下涂層磨痕表面氧化物起到一定的保護(hù)涂層的作用，使涂層的磨損率維持在較低水平；當(dāng)載荷增加至28N時(shí)，載荷作用易去除氧化物并造成涂層表面損傷，從而使涂層的磨損率較輕載時(shí)呈數(shù)量級(jí)上升。

綜上所述，在本文選擇的試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，溫度和載荷是影響熱噴涂WC-17Co涂層摩擦學(xué)行為的主要因素。在室溫～550℃范圍，溫度升高促進(jìn)WC-Co涂層磨痕表面氧化物的形成，有利于降低摩擦系數(shù)，同時(shí)氧化物起到一定的保護(hù)涂層的作用，使涂層的磨損率增加緩慢；650℃時(shí)涂層氧化劇烈，氧化物疏松多孔難以承載，使涂層磨損非常嚴(yán)重。不同溫度條件下，載荷對(duì)涂層摩擦磨損機(jī)制的影響不同。在室溫～450℃范圍，載荷增加促進(jìn)摩擦化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，形成的氧化產(chǎn)物能抵抗陶瓷球的犁削，使涂層的磨損率沒(méi)有明顯上升，并且氧化物具有潤(rùn)滑減摩作用，使涂層的摩擦系數(shù)明顯下降，因此氧化物對(duì)改善涂層的摩擦磨損性能有利；550℃和650℃時(shí)，載荷增加使涂層的磨損機(jī)制以氧化物去除為主，同時(shí)造成涂層表面發(fā)生一定程度的機(jī)械損傷，從而加劇WC-Co涂層的磨損。

3 結(jié)論

（1）在本文試驗(yàn)條件下，溫度和載荷是影響熱噴涂WC-17Co涂層摩擦學(xué)行為的主要因素。

（2）室溫～550℃范圍，溫度升高促進(jìn)磨痕表面氧化物的形成，使WC-Co涂層的摩擦系數(shù)降低并且磨損率增加緩慢；650 ℃時(shí)劇烈氧化導(dǎo)致涂層磨損嚴(yán)重。

（3）室溫～450℃范圍，載荷增加促進(jìn)摩擦過(guò)程中氧化物的形成，有利于改善WC-Co涂層的摩擦磨損性能；550℃和650℃時(shí)，載荷增加會(huì)加速去除氧化物且造成涂層表面機(jī)械損傷，從而加劇WC-Co涂層的磨損。