Cr3C2-NiCr涂層對水力機械材料耐磨蝕性能影響研究*

宮立達，劉 偉

(閩南理工學(xué)院 光電與機電工程學(xué)院，福建 石獅 362700)

0 引 言

Cr3C2具有常溫硬度高、熱硬度高、抗氧化性強等特點，當(dāng)溫度達到1 200～1 500 ℃時，才會發(fā)生嚴(yán)重氧化，具備較好的耐磨性與耐蝕性，常用于制備抗高溫氧化、抗磨損與抗腐蝕涂層[1-5]。Cr3C2涂層的附著力不好，這就需要和NiCr合金組合構(gòu)成Cr3C2-NiCr復(fù)合涂層，以增強涂層的結(jié)合強度，提升粉末的沉積率[6]。Cr3C2-NiCr粉末內(nèi)NiCr合金的用量最多為50%，NiCr用量比例越多，Cr3C2-NiCr涂層的韌性越強，硬度越低，耐磨性越差[7]。Cr3C2與NiCr的比例決定了涂層性能的好壞[8]。

水力機械材料過流部件常用的基材是0Cr13Ni4Mo不銹鋼，利用WC陶瓷涂層防護基材表面，具有很好的耐磨蝕作用[9-10]。部分過流部件實施表面防護時，需要實施焊接與去應(yīng)力退火等處理，處理時的溫度超過600 ℃，高溫會導(dǎo)致WC類涂層出現(xiàn)裂紋與剝落等現(xiàn)象，導(dǎo)致不能使用WC類涂層進行防護[11-12]，因此需要使用Cr3C2-NiCr涂層進行防護。

常用的制備Cr3C2-NiCr涂層的方式為超音速熱噴涂技術(shù)[13-16]，但該技術(shù)制備的涂層結(jié)合強度較弱，孔隙率較高，也不適合用于防護水力機械材料過流部件表面[17-18]。2015年以來，爆炸噴涂設(shè)備具有很好的發(fā)展與應(yīng)用[19]，所以本文選用UDS-200全自動爆炸噴涂系統(tǒng)為噴涂設(shè)備，制備了Cr3C2-NiCr涂層樣品，研究了Cr3C2-NiCr涂層對水力機械材料耐磨蝕性能的影響。

1 實驗

1.1 基體材料

實驗選取水力機械材料中的A3鋼為基體材料，A3鋼表面存在很多礦物油，局部銹蝕也較重，需要對基體材料做除油、除銹與打磨處理，提升涂層與基體間的附著力。

首先，通過堿液除油法對基體材料實施除油處理，除油液配方與工藝條件為：70 g/L的NaOH、30 g/L的Na2CO3、50 g/L的Na3PO4和2～3 g/L的OP-10，溫度為80～100 ℃，時間為20～30 min；其次，通過酸洗除銹法對基體材料實施除銹處理，除銹的配方與工藝條件為：30%～35%的H2SO4、Fe2+含量<130～150 g/L，溫度為50～70 ℃,時間以除凈為止；最后，對除油和除銹后的基體材料進行打磨處理，以各個表面打磨光滑為止。

1.2 樣品的制備

首先，混合制備了Cr3C2-NiCr粉末，粒徑為16～41 μm，Cr、C和Ni元素的含量分別為 69.1%，9.7%和21.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；然后，利用UDS-200全自動爆炸噴涂系統(tǒng)為噴涂設(shè)備，制作了5種不同噴涂功率下的Cr3C2-NiCr涂層，制作工藝如下：噴涂功率分別為20，25，30，35和40 kW，噴涂距離為150 mm，送粉速率為53 g/min，噴槍速率為2 m/min；最后，利用HX-JX2金相分析儀測試了5種涂層僅涂1層的孔隙率，結(jié)果如表1所示。

表1 不同噴涂功率下Cr3C2-NiCr涂層的孔隙率

1.3 樣品的表征與性能測試

通過ULTRA55場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)觀察Cr3C2-NiCr涂層樣品的表面形貌；利用HX-1000TM自動轉(zhuǎn)塔顯微硬度計測試樣品的顯微硬度，峰值載荷為3 N，加載時間為9 s。

1.3.1 耐磨性能測試

利用山東保航機械設(shè)備制造有限公司的四球摩擦磨損試驗機觀察Cr3C2-NiCr涂層樣品對水力機械材料耐磨性能的影響，使用5 mm氮化硅陶瓷球?qū)嵤δ?，摩擦圓半徑為7 mm；利用LE225D電子天平稱量樣品的質(zhì)量損失。

1.3.2 耐腐蝕性能測試

利用上海和晟儀器科技有限公司的精密鹽霧試驗箱實施中性鹽霧腐蝕試驗，測試Cr3C2-NiCr涂層樣品對水力機械材料耐腐蝕性能的影響。該精密鹽霧試驗箱經(jīng)過福建方圓校準(zhǔn)檢測科技研究院有限公司校準(zhǔn)后，其實驗精度與可靠性較高，以3.6%NaCl溶液為實驗溶液，PH值在6.5～7.2范圍內(nèi)，鹽霧箱溫度為(36±3)℃，測試時間為144 h。

由于Cr3C2-NiCr涂層樣品表面的銹斑比較疏松，較易脫落，所以將樣品放進裝有酒精的超聲清洗機內(nèi)，超聲清洗1 h，對除掉銹斑與腐蝕產(chǎn)物后的樣品進行稱重。通過腐蝕后Cr3C2-NiCr涂層樣品的質(zhì)量損失速率判斷其耐腐蝕性能，質(zhì)量損失速率公式如下

(1)

其中，v為Cr3C2-NiCr涂層樣品的質(zhì)量損失速率，mg/h；Δq為腐蝕前后樣品的質(zhì)量變化，mg；q1為腐蝕前樣品的質(zhì)量，mg；q2為腐蝕后樣品的質(zhì)量，mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 耐磨性能影響

選取孔隙率為3.26%的Cr3C2-NiCr涂層樣品，利用四球摩擦磨損試驗機實施干摩擦實驗，測試樣品對水力機械材料耐磨性能的影響。Cr3C2-NiCr涂層樣品的磨痕微觀形貌如圖1所示。

圖1(a)為低倍度下樣品的磨痕微觀形貌。從圖1(a)可以看出，實施摩擦磨損后，樣品表面的磨痕部位比其余部位更為光滑，磨痕呈現(xiàn)清晰的條紋狀，整體磨損較為輕微。圖1(b)為高倍度下樣品的磨痕微觀形貌。由圖1(b)可知，樣品表面因摩擦形成的犁溝狀磨痕清晰可見，表面光滑平順，局部地區(qū)裂紋明顯，且能觀察到有凹坑出現(xiàn)。這是因為Cr3C2-NiCr涂層樣品與對磨球間基本為磨粒磨損，對磨球與樣品內(nèi)的硬質(zhì)凸起顆?；ハ嘌心?，將樣品表面變得光滑，而摩擦形成的磨屑會進一步劃傷樣品的表面，形成細(xì)微裂紋；同時部分樣品與A3鋼表面粘接不夠緊密，致使硬質(zhì)顆粒剝落，從而形成凹坑。此外，由于Cr3C2-NiCr涂層樣品內(nèi)具有脆硬相，在磨粒磨損過程中，硬脆相容易形成應(yīng)力集合，導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋源，沿著硬質(zhì)顆粒和Cr3C2-NiCr涂層樣品與A3鋼表面粘結(jié)相的結(jié)合面拓展。

圖1 Cr3C2-NiCr涂層樣品的磨痕微觀形貌

圖2為Cr3C2-NiCr涂層樣品和A3鋼的摩擦系數(shù)關(guān)系圖。由圖2可知，Cr3C2-NiCr涂層樣品的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，升高和降低的波動幅度較小，摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定在0.6左右，說明Cr3C2-NiCr涂層樣品的穩(wěn)定性較高。這是因為在摩擦初期，Cr3C2-NiCr涂層樣品的表面比較粗糙，隨著摩擦的持續(xù)進行，凸起部分漸漸被磨掉，樣品的摩擦界面逐漸變得光滑，從而對樣品的耐磨性能形成一定的強化。另外，A3鋼表面的摩擦系數(shù)均較高，基本保持在0.7～1.2的范圍內(nèi)，且存在劇烈的波動幅度，表明A3鋼表面逐漸被磨削，形成了很多的磨屑使摩擦界面變得粗糙，擴大了A3鋼表面的磨損程度?？傮w來看，隨著磨損時間的延長，Cr3C2-NiCr涂層樣品的失重明顯低于A3鋼，因此噴涂了Cr3C2-NiCr涂層樣品的A3鋼耐磨性能明顯好于沒有涂層的A3鋼。

圖2 Cr3C2-NiCr涂層樣品和A3鋼的摩擦系數(shù)關(guān)系圖

利用四球摩擦磨損試驗機測試3.26%和18.75% 孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品在不同摩擦速度、摩擦溫度和摩擦角度情況下的質(zhì)量磨損率，結(jié)果如表2所示。由表2可知，兩種不同孔隙率Cr3C2-NiCr涂層樣品在4種摩擦條件下，隨著摩擦角度的不斷增加，質(zhì)量磨損率均逐漸提升，在摩擦角度為70°時，質(zhì)量磨損率達到最大。18.75%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品在4種摩擦條件下的質(zhì)量磨損率均高于3.26%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品。

表2 不同摩擦速度、摩擦溫度與摩擦角度下Cr3C2-NiCr涂層樣品的質(zhì)量磨損率測試結(jié)果

從表2可以看出，摩擦速度對樣品的質(zhì)量磨損率影響非常大，兩種不同孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品在同一摩擦溫度情況下，摩擦速度為220 m/s的樣品的質(zhì)量磨損率明顯低于摩擦速度為430 m/s的樣品；在同一摩擦速度情況下，摩擦溫度低的樣品的質(zhì)量磨損率普遍高于摩擦溫度高的樣品，樣品的質(zhì)量磨損率與摩擦溫度成反比；隨著摩擦角度的增大，摩擦速度對樣品質(zhì)量磨損率的影響明顯高于摩擦溫度。在同一磨損條件下，Cr3C2-NiCr涂層樣品的質(zhì)量磨損率越低，反映其質(zhì)量越好。樣品在摩擦過程中存在動能與熱能，摩擦速度決定摩擦動能，摩擦溫度決定摩擦熱能，這就表明隨著摩擦速度和摩擦溫度的提升，由摩擦導(dǎo)致的動能和熱影響范圍增大，儲存能增強，造成Cr3C2-NiCr涂層樣品的質(zhì)量磨損率提高。

塑性材料在摩擦角度為20～30°時，質(zhì)量磨損率達到最高，脆性材料在摩擦角度最大時，質(zhì)量磨損率達到最高。Cr3C2-NiCr涂層樣品符合脆性材料磨損特征，表明Cr3C2-NiCr涂層樣品屬于脆性材料。因此，摩擦溫度越高，Cr3C2-NiCr涂層樣品粘結(jié)相的韌性就越大，在摩擦?xí)r韌性相的變形協(xié)調(diào)作用也越大，從而降低了出現(xiàn)裂紋與涂層剝落的概率。說明摩擦溫度對Cr3C2-NiCr涂層質(zhì)量磨損率的影響和其結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。

由表2可知，在摩擦角度為70°、摩擦速度為430 m/s、摩擦溫度為700 ℃時，3.26%和18.75%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品的質(zhì)量磨損率最高，分別為7.5和12.0 mg/g，可知Cr3C2-NiCr涂層樣品的孔隙率越高，耐磨性能越差。幾種因素對涂層耐磨性能的影響依次為：摩擦速度>摩擦角度>摩擦溫度。

利用四球摩擦磨損試驗機實施浸油摩擦，測試3.26%和18.75%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品在不同載荷、加載時間下與A3鋼的摩擦系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同載荷、加載時間下Cr3C2-NiCr涂層樣品與A3鋼浸油摩擦的摩擦系數(shù)

由表3可知，在載荷為50 N的情況下，3.26%和18.75%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品的平均摩擦系數(shù)分別為0.16和0.13；在載荷為100 N的情況下，其平均摩擦系數(shù)分別為0.11和0.10；在載荷為150 N的情況下，其平均摩擦系數(shù)分別為0.09和0.07。說明在浸油摩擦情況下，隨著載荷的提升，Cr3C2-NiCr涂層樣品的摩擦系數(shù)不斷下降；且在同一載荷情況下，低孔隙率樣品的摩擦系數(shù)均高于高孔隙率樣品。加載時間對Cr3C2-NiCr涂層樣品摩擦系數(shù)的影響沒有規(guī)律可循，隨著加載時間的增加，樣品的摩擦系數(shù)出現(xiàn)無規(guī)律的上下波動。

表4為 不同載荷、磨痕寬度下Cr3C2-NiCr涂層樣品與A3鋼浸油摩擦的磨痕深度結(jié)果。由表4可知，在載荷為50 N的情況下，3.26%和18.75%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品的平均磨痕深度分別為0.56和1.2 μm；在載荷為100 N的情況下，其平均磨痕深度分別為0.83和1.13 μm；在載荷為150 N的情況下，其平均磨痕深度分別為1.29和1.47 μm。當(dāng)孔隙率一致時，隨著載荷的增加，涂層的磨損量增大；當(dāng)載荷一致時，高孔隙率樣品的硬度較低，磨損量較大。說明在浸油摩擦情況下，雖然Cr3C2-NiCr涂層樣品的孔隙率具有減輕摩擦的作用，但孔隙率本身帶給Cr3C2-NiCr涂層樣品的摩擦作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于減磨作用，Cr3C2-NiCr涂層樣品的孔隙率越高，摩擦量越大。

表4 不同載荷、磨痕寬度下Cr3C2-NiCr涂層樣品與A3鋼浸油摩擦的磨痕深度

2.2 耐腐蝕性能影響

利用鹽霧試驗箱測試測試5種孔隙率Cr3C2-NiCr涂層樣品對水力機械材料耐腐蝕性能的影響，實驗過程中，每過一段時間取出Cr3C2-NiCr涂層樣品，觀察這5種涂層樣品的腐蝕變化程度。圖3～7為5種孔隙率Cr3C2-NiCr涂層樣品的腐蝕形貌變化程度。

圖3 3.26%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品的腐蝕形貌變化程度

圖4 5.18%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品的腐蝕形貌變化程度

由圖3～7可知，經(jīng)過3 d腐蝕后，僅有3.26%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品沒有形成腐蝕銹斑；5.74%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品出現(xiàn)很多球狀腐蝕物，變化較??；剩下的3種孔隙率Cr3C2-NiCr涂層樣品均有銹斑并不斷向四周展開，其中18.75%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品的銹斑最為嚴(yán)重。經(jīng)過6 d腐蝕后，3.26%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品仍未形成腐蝕銹斑，表明其耐腐蝕性能較好，剩余4種Cr3C2-NiCr涂層樣品均形成不同程度的腐蝕。說明孔隙率越高的Cr3C2-NiCr涂層樣品，被腐蝕程度越嚴(yán)重，孔隙率大小和Cr3C2-NiCr涂層的耐腐蝕性能具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖5 5.74%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品的腐蝕形貌變化程度

圖6 6.49%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品的腐蝕形貌變化程度

圖7 18.75%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品的腐蝕形貌變化程度

表5為不同孔隙率Cr3C2-NiCr涂層樣品腐蝕前后的顯微硬度變化程度。由表5可知，經(jīng)過6 d的腐蝕后，每種樣品的顯微硬度都呈現(xiàn)下降的趨勢，說明鹽霧腐蝕具有軟化Cr3C2-NiCr涂層的作用。

表5 不同孔隙率Cr3C2-NiCr涂層樣品腐蝕前后的顯微硬度變化程度

圖8和9分別為不同孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品鹽霧腐蝕的失重程度和失重速率。圖中橫坐標(biāo)1～5分別為3.26%，5.18%，5.74%，6.49%和18.75%孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品。從圖8和9可以看出，隨著孔隙率的逐漸提升，Cr3C2-NiCr涂層樣品的失重量和失重速率均不斷提升，這與圖3～7中樣品腐蝕銹斑的擴展情況一致。

圖8 不同孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品鹽霧腐蝕的失重程度

圖9 不同孔隙率的Cr3C2-NiCr涂層樣品鹽霧腐蝕的失重速率

通過噴涂不同層數(shù)，研究了Cr3C2-NiCr涂層層數(shù)對水力機械材料耐腐蝕性能的影響。選取孔隙率為3.26%的Cr3C2-NiCr涂層樣品，在A3鋼表面分別涂上1～3層的Cr3C2-NiCr涂層，分析樣品的腐蝕速率，結(jié)果如表6所示。由表6可知，當(dāng)涂層層數(shù)一致時，隨著腐蝕時間的延長，3種Cr3C2-NiCr涂層的腐蝕速率均逐步增大；當(dāng)腐蝕時間一致時，噴涂3層Cr3C2-NiCr涂層的樣品腐蝕速率明顯低于噴涂1層和2層的樣品。說明噴涂層數(shù)越多，則Cr3C2-NiCr涂層的腐蝕速率越低，耐腐蝕性能越好，能更好地保護A3鋼基體不被介質(zhì)腐蝕。

表6 不同涂層層數(shù)樣品的腐蝕速率測試結(jié)果

3 結(jié) 論

選用UDS-200全自動爆炸噴涂系統(tǒng)為噴涂設(shè)備，制備了Cr3C2-NiCr涂層樣品，研究了樣品的表面形貌、顯微硬度以及樣品對水力機械材料的耐磨性能和耐腐蝕性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)實施摩擦磨損后，樣品表面的磨痕部位比其余部位更為光滑，磨痕呈現(xiàn)清晰的條紋狀，整體磨損較為輕微，Cr3C2-NiCr涂層樣品內(nèi)具有脆硬相，在磨粒磨損過程中，硬脆相容易形成應(yīng)力集合，導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋源。

(2)隨著磨損時間的延長，Cr3C2-NiCr涂層樣品的失重明顯低于A3鋼，樣品的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定在0.6左右。

(3)Cr3C2-NiCr涂層屬于脆性材料，其孔隙率越高，耐磨性能越差。幾種因素對涂層耐磨性能的影響依次為：摩擦速度>摩擦角度>摩擦溫度。

(4)在浸油摩擦情況下，隨著載荷的提升，Cr3C2-NiCr涂層樣品的摩擦系數(shù)不斷下降；且在同一載荷情況下，低孔隙率樣品的摩擦系數(shù)均高于高孔隙率樣品；孔隙本身帶給Cr3C2-NiCr涂層的磨損損傷作用高于孔隙的減磨作用，樣品的孔隙率越高，摩擦量越大。

(5)Cr3C2-NiCr涂層樣品的孔隙率越高，耐腐蝕性能越差；隨著孔隙率的逐漸提升，Cr3C2-NiCr涂層樣品的失重量和失重速率均不斷提升；噴涂層數(shù)越多，則Cr3C2-NiCr涂層的腐蝕速率越低，耐腐蝕性能越好，能夠更好地保護A3鋼基體不被介質(zhì)腐蝕。