WC-10Co-4Cr對等離子噴涂Mo涂層性能的影響

朱霞高，康忠明，戴紅亮，朱暉朝，張忠誠

廣東省新材料研究所，現(xiàn)代材料表面工程技術國家工程實驗室，廣東省現(xiàn)代表面工程技術重點實驗室，廣東 廣州 510650

等離子噴涂具有焰流溫度高(高達15000～33000 ℃)、穩(wěn)定性和可控性好、噴射粒子的速度快，噴涂過程可實現(xiàn)自動控制等特點[1]．鉬是一種良好的減摩材料，服役過程中能夠有效地降低摩擦系數(shù)．從二十世紀七十年代開始，國外便開始系統(tǒng)研究等離子噴涂Mo涂層，并成功應用于航空、汽車零件等領域中[2]．

隨著工業(yè)的發(fā)展，純Mo涂層難以滿足不斷提高性能的要求．通過在Mo粉中加入WC-10Co-4Cr，以期進一步提高Mo涂層減摩抗磨性能．同時，研究了不同添加量的WC-10Co-4Cr粉末對涂層的結合強度、浸油摩擦系數(shù)的影響，從而使Mo基涂層能夠應用于重載、大扭矩工作環(huán)境中．

1 實驗部分

1.1 涂層制備

等離子噴涂基體材料為80 mm×20 mm×4 mm的 A3鋼鋼板．噴涂前對樣品板進行除油和噴砂處理，噴砂壓力為0.35～0.45 MPa．等離子噴涂選用GTVMF-P-1500型高能等離子噴涂設備，等離子噴涂工藝參數(shù)列于表1．

表1 噴涂工藝參數(shù)

噴涂粉末為粒度25～45 μm的純Mo粉末，圖1為噴涂用粉顯微形貌．從圖1可見，噴涂粉末細小均勻(圖1(a))，添加粉末為WC-10Co-4Cr，其粒度為5～30 μm(圖1(b))．

圖1 噴涂用粉顯微形貌(a)Mo粉末；(b)WC-10Co-4Cr粉末Fig.1 Morphology of Mo and WC-10Co-4Cr powders(a)Mo powders；(b)WC-10Co-4Cr powders

1.2 方 法

結合強度測試用GP-TS2000M萬能試驗機測定，試樣尺寸為直徑25.4 mm×38 mm．首先噴涂0.25 mm厚的涂層，用E7膠和對偶件粘結在一起，在100 ℃的保溫箱內保溫3 h，然后以1 mm/min的速度進行結合強度的檢測．

浸油摩擦磨損試驗用美國CETR UMT-3摩擦磨損試驗儀，摩擦磨損樣品為直徑25 mm×6 mm的圓片，Mo基涂層厚度為0.35 mm，在潤滑油中浸泡3 h，取出后擦干表面殘余潤滑油，然后放入摩擦磨損試驗儀中進行對磨試驗．摩擦磨損實驗的對磨銷材料為淬火態(tài)GCr15，磨損直徑為16 mm，轉速100 r/min，載荷壓力8 kg，摩擦磨損時間30 min．

用JSM5910 SEM掃描電子顯微鏡觀察涂層組織結構，用D/MAX-RC型X射線衍射儀器分析涂層的物相組成，通過氧氮測定儀測試Mo基涂層中氧含量，用HSRD-45型電動表面洛氏硬度計測量涂層硬度HR15N，主試驗力15 kg·f,金剛石壓頭，總試驗力保載時間2～6 s．

2 實驗結果與討論

2.1 涂層的組織結構

圖2為添加了三種不同含量WC-10Co-4Cr的Mo基復合涂層的顯微形貌．從圖2可以看到：三種涂層與基體結合界面平整、無明顯缺陷，表現(xiàn)出較好的結合狀態(tài)；涂層均由近表面的疏松結構區(qū)和內部致密區(qū)構成，疏松結構區(qū)內粒子結合相對較差，但存在裂紋較少，致密區(qū)扁平粒子之間結合良好，并伴隨有白色條帶均勻分布其中；隨著WC-10Co-4Cr添加量的增加，白色條帶量也隨之增多，此白色帶狀物質為熔化后鋪展開來的WC-10Co-4Cr粒子，其較大的寬厚比說明噴涂過程中粒子熔化充分，這有利于形成高質量的涂層．

涂層孔隙率檢測結果顯示，三種涂層的孔隙率均為3.6%，處于較低水平，表明涂層有較高的力學性能．

對涂層做XRD分析(圖3)，發(fā)現(xiàn)涂層內部除Mo外，還有MoO2及WC相．XRD圖譜中的MoO2即是Mo在等離子噴涂過程中氧化的產物[3-4]．實際上MoO2有著較高的硬度，涂層中存在適量的MoO2相有利于提高涂層的抗磨性能．由WC-10Co-4Cr提供的WC一方面在噴涂過程中對已沉積涂層起到了夯實作用，使涂層致密、結合良好；另一方面，WC還與MoO2共同起到增強作用，彌補了單一Mo涂層在服役過程中減摩效果好但是抗磨性能不足的缺點．

2.2 涂層的性能

對不同WC-10Co-4Cr添加量的Mo基涂層進行氧含量、硬度、結合強度、浸油摩擦系數(shù)分析，結果列于表2．由表2可知，1#試樣表面硬度最低，3#試樣硬度最高．隨著WC-10Co-4Cr添加量的增加，涂層的硬度逐漸增高.這是由于WC-10Co-4Cr顆粒隨著Mo粉同時送入等離子射流之中，在飛行的過程中持續(xù)受熱，WC-10Co-4Cr顆粒中的Co和Cr變成液態(tài)，WC細小的顆粒包裹在小液滴之中，撞擊到基體表面瞬間扁平后凝固，因此WC細小的顆粒以片狀一層一層彌散分布在涂層之中，提高了涂層的硬度．另外，WC-10Co-4Cr顆粒借助等離子射流噴出時獲得一定的速度，撞擊在已沉積涂層上，撞擊過程中粒子的動能轉變?yōu)槌练e粒子的形變能和內能，隨著WC-10Co-4Cr顆粒沖擊次數(shù)的增多，沉積涂層形變程度增大，涂層粒子之間的間隙被擠壓縮小甚至閉合的幾率越大，從而達到縮孔和止裂的效果，增強了涂層與基體的機械咬合，增加了涂層內部層與層之間的內聚力，使涂層的硬度以及結合強度均逐漸提高．涂層中含氧量的逐漸減少，則是由于隨著WC-10Co-4Cr含量的逐漸增加，相應Mo含量逐漸減少，涂層中生成的MoO2含量也逐漸減少，而由XRD結果可知涂層中只有MoO2相含氧，因此涂層中總的含氧量也逐漸降低．

圖2 添加不同量WC-10Co-4Cr的Mo基涂層的顯微形貌(a)，(b)1#樣品涂層的低倍和高倍SEM圖像；(c)，(d)2#樣品涂層的低倍和高倍SEM圖像；(e)，(f)3#樣品涂層的低倍和高倍SEM圖像Fig.2 SEM images of Mo based coatings with different WC-10Co-4Cr additive amount(a)，(b)low and high times SEM images of 1# sample；(c)，(d)low and high times SEM images of 2# sample；(e)，(f)low and high times SEM images of of 3# sample

表2 Mo基復合涂層的性能

圖4為Mo基復合涂層浸油摩擦系數(shù)曲線圖．由表3可知，1#試樣的平均摩擦系數(shù)為0.1126,2#試樣的平均摩擦系數(shù)為0.1137，3#試樣的平均摩擦系數(shù)為0.1194．從圖4可見，在整個摩擦磨損過程中摩擦系數(shù)逐漸增加，但增加幅度很?。@是因為涂層的孔隙率相差不大，浸油之后涂層孔隙存儲的油量相差也不大，在對磨銷往復運動的壓力下，孔隙內油溢出到磨損表面會形成一層油膜，因此摩擦系數(shù)數(shù)值相差不大．

圖4 不同WC-10Co-4Cr添加量Mo基涂層的浸油摩擦系數(shù)(a)1#樣品；(b)2#樣品；(c)3#樣品Fig.4 Friction coefficient after oill immersion of Mo-base coatings with different WC-10Co-4Cr additive amount(a)1# sample；(b)2# sample；(c)3# sample

3 結 論

采用等離子噴涂方法，添加WC-10Co-4Cr顆粒制備Mo基復合涂層．隨著WC-10Co-4Cr粉末添加量的增加，涂層孔隙率變化不大、氧含量逐漸降低；表面硬度及浸油摩擦系數(shù)逐漸增加，但增加幅度很??；結合強度大大提高，使Mo基涂層能夠應用于重載、大扭矩工作環(huán)境中．