環(huán)境溫度對(duì)AT13增強(qiáng)Ni基涂層摩擦學(xué)性能影響

杜三明,蔡宏章,郇慶婷,李 珍,2，張永振

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023;2.蘭州文理學(xué)院 化工學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

磨損是影響機(jī)械零部件壽命的關(guān)鍵因素，大多數(shù)零部件的失效均是由材料表面的磨損引起的[1-2]?，F(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)材料耐磨性能的要求越來越高，表面工程技術(shù)是提高材料耐磨性及壽命的有效方法之一[3-5]。在眾多的表面工程技術(shù)中，等離子噴涂因具有基體受熱小、焰流溫度高等性能而得到廣泛應(yīng)用[6]。

在噴涂材料中，陶瓷材料具有硬度高、強(qiáng)度大和耐磨性好等優(yōu)異的性能。其中，Al2O3-TiO2(主要成分為Al2O3，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%，簡稱AT13)陶瓷涂層具有高硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在耐磨、防腐等方面得到應(yīng)用[7-8]，但由于其存在脆性大、殘余應(yīng)力大等陶瓷涂層固有的缺點(diǎn)而限制了其應(yīng)用范圍。為了減小殘余應(yīng)力對(duì)涂層性能的影響，對(duì)涂層進(jìn)行熱處理是最為常用的手段之一[9-12]。也可以通過改變涂層材料成分制備復(fù)合涂層以達(dá)到提高涂層性能目的，如文獻(xiàn)[13-14]將金屬和陶瓷混合，所制備的復(fù)合涂層比單一成分的涂層更加致密，孔隙率減小，結(jié)合強(qiáng)度提高。金屬Ni作為廣泛應(yīng)用的金屬材料，具有導(dǎo)熱性好、韌性好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，成為等離子噴涂涂層的熱門研究材料之一，但與陶瓷涂層相比，其耐磨性較差[15-17]。將Ni與陶瓷的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來制備性能優(yōu)良的金屬基陶瓷復(fù)合涂層，成為研究方向。

金屬陶瓷復(fù)合涂層的制備技術(shù)已經(jīng)比較成熟,但對(duì)于其在不同環(huán)境溫度下的摩擦磨損研究較少，故本文將AT13陶瓷粉和金屬Ni粉進(jìn)行混合，采用等離子噴涂技術(shù)，在20鋼表面制備10%AT13/Ni復(fù)合涂層，分析其在20 ℃、200 ℃和500 ℃環(huán)境溫度下的摩擦磨損性能，并探究其磨損機(jī)制，為擴(kuò)展其應(yīng)用范圍提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 復(fù)合粉末制備

采用商用的微米AT13粉末和金屬Ni粉，粒徑為40～50 μm，將AT13粉和Ni粉按照質(zhì)量比1∶9制備成10%AT13/Ni復(fù)合粉末。采用機(jī)械混合法在V-100 L混料機(jī)上進(jìn)行混料，通過改變球料比和混料時(shí)間(球料比為質(zhì)量比，混料球選用商用紫銅球)，篩選出最佳的混料工藝。

1.2 復(fù)合涂層制備

選用20鋼為基體材料，尺寸為φ75 mm×10 mm。經(jīng)過超聲波清洗、噴砂等前處理獲得具有一定粗糙度的基體。采用ZB-80型大氣等離子噴涂試驗(yàn)機(jī)制備復(fù)合涂層。通過調(diào)整功率、氬氣流量等參數(shù)，觀察等離子焰流變化，選出最佳的噴涂工藝參數(shù)。最佳噴涂工藝參數(shù)為：電壓61 V，電流530 A，氬氣流量40 L·min-1，氫氣流量0.8 L·min-1,噴涂距離100 mm，噴涂角度90°。

1.3 試驗(yàn)及表征方法

復(fù)合涂層的摩擦磨損試驗(yàn)在QG-700型氣氛高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用球-盤式接觸方式，載荷為630 g，轉(zhuǎn)速為400 r/min，時(shí)間為20 min，對(duì)磨材料為φ6.35 mm的硬質(zhì)合金球。

采用JSM-5610LV型掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)和D8-X射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD)對(duì)復(fù)合粉末的形貌、復(fù)合涂層的微觀結(jié)構(gòu)及磨痕形貌進(jìn)行表征。

復(fù)合涂層的磨損率用體積磨損率表征，采用Nanofocus AG三維形貌儀表征復(fù)合涂層的磨痕，計(jì)算出磨痕面積A(mm2)，并通過△V=2πrA計(jì)算出磨損體積△V(mm3)。采用式(1)計(jì)算體積磨損率[14]：

(1)

其中：w為體積磨損率，mm3/(N·m);r為摩擦半徑，mm;M為總轉(zhuǎn)數(shù)；N為載荷，N。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合粉末的形貌

為了獲得混合均勻、破碎較少、團(tuán)聚少的復(fù)合粉末，通過調(diào)整混料時(shí)間和球料比進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化選用的球磨球?yàn)樯逃米香~球,球與粉末的質(zhì)量比為1.5∶1，混料時(shí)間為1 h，混料后的復(fù)合粉末形貌如圖1所示。圖1中小的球狀為金屬Ni，大的片狀為AT13粉末。由圖1可知：兩種粉末混合比較均勻，破碎較少，團(tuán)聚少。

2.2 復(fù)合涂層的微觀組織及形貌

圖2為復(fù)合涂層的截面微觀形貌。從圖2中可知：復(fù)合涂層與基體之間以機(jī)械結(jié)合為主，復(fù)合涂層由熔融顆粒和半熔融顆粒組成，并呈層片狀分布?；w表面經(jīng)噴砂處理后，表面粗糙度增大，小液滴經(jīng)高速撞擊到基體后，與凹凸不平的表面相接觸，經(jīng)變形冷凝后，表現(xiàn)為“鉤狀”的結(jié)合形式。在隨后的噴涂過程中，小熔滴與沉積表面隨機(jī)搭接而不斷堆積，進(jìn)而形成了內(nèi)含孔隙的“浪花狀”結(jié)構(gòu)。復(fù)合涂層中存在孔隙和微裂紋，一方面，是因?yàn)樵趪娡窟^程中，基體附近空氣滯留在涂層內(nèi)部，當(dāng)噴涂材料沉積后，遺留的氣體受熱，繼續(xù)逃逸，將剛凝固的涂層沖開，使涂層內(nèi)部與大氣聯(lián)通，在隨后的冷卻過程中涂層內(nèi)部形成孔隙和微裂紋；另一方面，是由于半熔融顆粒的堆積，進(jìn)而形成小孔隙，同時(shí)在冷卻過程中，由于Ni和AT13的熱膨脹系數(shù)不同，AT13顆粒冷卻收縮較多，導(dǎo)致復(fù)合涂層內(nèi)部形成小孔隙。

圖1 混料后的復(fù)合粉末形貌

圖2 復(fù)合涂層的截面微觀形貌

圖3為復(fù)合粉末和復(fù)合涂層的X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)圖譜。經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)照發(fā)現(xiàn)，復(fù)合粉末以Ni、α-Al2O3和TiO相為主。經(jīng)噴涂后，復(fù)合涂層主要物相為Ni、TiO、NiO和α-Al2O3。在噴涂過程中，復(fù)合粉末中的Ni相與空氣中的氧氣在等離子焰流中發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)而生成NiO。

2.3 復(fù)合涂層的摩擦磨損性能

圖4為不同環(huán)境溫度時(shí)復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。復(fù)合涂層的摩擦分為兩個(gè)階段，即磨合階段和穩(wěn)定階段。20 ℃時(shí)，復(fù)合涂層的磨合階段時(shí)間約為2.5 min，且最終摩擦因數(shù)在0.59左右波動(dòng)。200 ℃時(shí)，復(fù)合涂層的磨合階段時(shí)間較長，大約15.0 min進(jìn)入穩(wěn)定階段，且摩擦因數(shù)最終穩(wěn)定在1.00左右。500 ℃時(shí)，復(fù)合涂層的磨合階段時(shí)間減小，大約5.0 min進(jìn)入穩(wěn)定階段，摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.80左右。整體而言，復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)隨環(huán)境溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)?？赡茉蚴钱?dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，摩擦副的黏著現(xiàn)象增強(qiáng)，從而增大了摩擦因數(shù)。當(dāng)溫度升高到500 ℃時(shí)，在試驗(yàn)中觀察到摩擦副接觸表面存在淡黃色物質(zhì)，根據(jù)文獻(xiàn)[18]可知,其為鎳的氧化物。說明在高溫下復(fù)合涂層的氧化現(xiàn)象增強(qiáng)，同時(shí)鎳的氧化物具有高溫自潤滑性，有利于減小復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)[19]，故而當(dāng)環(huán)境溫度為500 ℃時(shí)，摩擦因數(shù)出現(xiàn)較200 ℃時(shí)減小的現(xiàn)象。

圖3 復(fù)合粉末和復(fù)合涂層的XRD圖譜

圖4 不同環(huán)境溫度時(shí)復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

根據(jù)式(1)計(jì)算體積磨損率，20 ℃時(shí)，復(fù)合涂層的體積磨損率約為9.81×10-5mm3/(N·m)；200 ℃時(shí)，復(fù)合涂層的體積磨損率為32.68×10-5mm3/(N·m)，約是20 ℃時(shí)的3.3倍；500 ℃時(shí)，體積磨損率為25.33×10-5mm3/(N·m)，是20 ℃時(shí)的2.6倍，但是比200 ℃時(shí)的低。體積磨損率增加可能是因?yàn)榄h(huán)境溫度的升高，復(fù)合涂層的內(nèi)應(yīng)力增大，進(jìn)而導(dǎo)致其層片間的結(jié)合強(qiáng)度降低，增加了體積磨損率；當(dāng)環(huán)境溫度為500 ℃時(shí)，復(fù)合涂層發(fā)生明顯的氧化現(xiàn)象，生成較多鎳的氧化物，而鎳的氧化物具有高溫自潤滑性，降低了高溫時(shí)的體積磨損率。

圖5為不同環(huán)境溫度時(shí)復(fù)合涂層的磨痕形貌。整體而言，復(fù)合涂層的磨痕寬度和深度隨著環(huán)境溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，這與復(fù)合涂層的體積磨損率變化結(jié)果相一致。在20 ℃環(huán)境溫度時(shí)，復(fù)合涂層的磨痕中出現(xiàn)較多的片狀剝落現(xiàn)象，如圖5a所示。這一方面是由于涂層在形成過程中，存在微裂紋和孔隙等微缺陷，在接觸壓力和摩擦力的共同作用下，微裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而形成片狀剝落；另一方面，由于涂層制備后，處于熱力學(xué)亞穩(wěn)狀態(tài)，內(nèi)部存在大量的殘余應(yīng)力，在摩擦過程中，涂層由亞穩(wěn)狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，內(nèi)部的空位和位錯(cuò)移動(dòng)，形成裂紋源，裂紋擴(kuò)展進(jìn)而形成新的微裂紋，進(jìn)一步擴(kuò)展形成塊狀剝落[20]。20 ℃時(shí)涂層的主要磨損機(jī)制為層狀剝落。

與20 ℃環(huán)境溫度相比，在200 ℃環(huán)境溫度時(shí)，磨痕表面由大量的壓實(shí)磨屑和一些剝落坑組成，如圖5b所示。這是由于當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，涂層內(nèi)Ni和AT13的熱膨脹系數(shù)不同，進(jìn)一步增大了涂層的內(nèi)應(yīng)力，減弱了涂層之間的黏接性能，進(jìn)而使涂層內(nèi)部存在的微裂紋和孔隙等更容易發(fā)生擴(kuò)展，在摩擦磨損過程中形成大量的磨屑；同時(shí)，由于環(huán)境溫度和摩擦表面溫度，在摩擦過程中，摩擦副接觸表面存在較高的溫度，磨屑在接觸壓力、摩擦力及高溫的共同作用下被壓實(shí)、剝落，此過程隨摩擦而反復(fù)進(jìn)行。此時(shí)，復(fù)合涂層的主要磨損機(jī)制仍以層狀剝落為主。

500 ℃環(huán)境溫度時(shí)，涂層中存在明顯的犁溝、塑性變形以及黏著現(xiàn)象，如圖5c所示。這一方面是由于摩擦副在摩擦過程中產(chǎn)生的硬顆粒磨屑進(jìn)入摩擦面，起到切削的作用，進(jìn)而形成大量的犁溝；同時(shí)，在摩擦力和載荷作用下，涂層產(chǎn)生塑性變形現(xiàn)象，而涂層的升溫過程起到了熱處理的作用，減弱了涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力，進(jìn)而降低了體積磨損率。另一方面，由于在高溫環(huán)境中，涂層中的金屬Ni發(fā)生氧化，形成氧化膜，減小了涂層與對(duì)磨材料的直接接觸，降低了涂層的體積磨損率和摩擦因數(shù)。涂層主要磨損機(jī)制為磨粒磨損。

(a) 20 ℃

(b) 200 ℃

(c) 500 ℃

圖5 不同環(huán)境溫度時(shí)復(fù)合涂層的磨痕形貌

3 結(jié)論

(1)當(dāng)球料質(zhì)量比為1.5∶1時(shí)，復(fù)合粉末的均勻性較好。利用等離子噴涂技術(shù)制備的10%AT13/Ni復(fù)合涂層，涂層與基體結(jié)合良好。

(2)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)和體積磨損率較低，200 ℃時(shí)復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)和體積磨損率最高。

(3)環(huán)境溫度為20 ℃和200 ℃時(shí)，復(fù)合涂層的主要磨損機(jī)制為層狀剝落；500 ℃時(shí)，復(fù)合涂層主要磨損機(jī)制為磨粒磨損。