（材料学专业论文）等离子喷涂Crlt2gtOlt3gt8TiOlt2gt涂层的摩擦磨损性能研究.pdf

摘要 等离子喷涂是一项重要的表面处理技术，可以用该项技术来强化和修复材 料表面。同时，还可以赋予材料表面特殊的性能，因此等离子喷涂技术得到了广 泛的应用。 在4 5 钏基体上喷涂c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层和电镀硬铬，测定了c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层 和镀铬层的孔隙率和显微硬度，利用金相显微镜和扫描电镜观察了喷涂涂层和镀 铬层的微观结构、截面形貌和表面形貌，并用能谱分析仪分析了试样试验前后物 质组成成分的变化。比较了润滑条件下和干摩擦条件下c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层和镀铬 层的摩擦磨损性能，分析了c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层和镀铬层的磨损机理。 c r 2 0 3 8 t 1 0 2 涂层为典型的层状结构，涂层中存在一些未熔喷涂颗粒和气孔， 等离子喷涂c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层的孔隙率为1 0 ，而镀铬层的致密性很好，其孔隙 率为l 。等离子喷涂c r 2 0 3 8 y i 0 2 涂层的显微硬度为1 2 8 6 2 1 4 3 h v ，镀铬层的 显微硬度为7 8 2 8 8 8 h v ，c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层平均显微硬度约为镀铬层平均显微硬 度的两倍。 千摩擦条件下，当试验载荷为5 ( ) n 、3 0 n 和2 0 n ，滑动速度分别为0 7 8 m s 和0 5 2 m s 时，c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层的摩擦系数小于镀铬层的摩擦系数。c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层的磨损量小于镀铬层的磨损量。由于c r z 0 3 8 t i 0 2 涂层的致密性较差、孔隙 率较高，磨损机制主要是微断裂磨损，镀铬层的磨损机制主要是粘着磨损。 机油润滑条件下，c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层的摩擦系数小于镀铬层的摩擦系数。在 载荷为5 0 n ，滑动速度为0 7 8 m s 时，陶瓷涂层的磨损量小于镀铬层的磨损量。 在载荷为2 0 0 n 时，c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层的磨损量与镀铬层的磨损量差别不大。润滑 条件fc r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层的主要磨损机制是磨粒磨损和微断裂磨损，镀铬层的主 要磨损机制是磨粒磨损和粘着磨损。 关键词：等离子喷涂、c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层、镀铬层、摩擦磨损 a b s t r a c t p l a s m as p r a y i n gi sa ni m p o r t a n ts u r f a c et r e a t m e n tt e c h n o l o g yt h e c o a t i n gc a ne n h a n c ea n dr e s t o r et h es u r f a c eo fm a t e r i a l s a tt h es a m et i m e m a t e r i a ls ur f a c ec a ng e tp a r t i c u l a rp r o p e r t i e s ，s op l a s m as p r a y i n gt e c h n o l o g y i sw i d e l yu s e d c r 2 0 3 8 t 1 0 2c o a t i n g sw e r ep r e p a r e do nas u b s t r a t eo f4 5s t e e lb yp l a s m a s p r a y i n g a n dh a r dc h r o m e p l a t i n gc o a t i n g s w e r e p r e p a r e d t h e m i c r o - h a r d n e s sa n dp o r o s i t yo f0 r 2 0 3 - 8 t 1 0 2c o a t i n g sa n dh a r dc h r o m ep l a t i n g c o a t i n g sw e r et e s t e d t h em i c r o s t r u c t u r ea n ds u r f a c et o p o g r a p h yo fc e r a m i c c o a t i n g sa n dh a r dc h r o m ep l a t i n gw e r eo b s e r v e db yu s i n go p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) a n ds c a re l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d s ) w a su s e dt o m e a s u r et h ec o m p o s i t i o no ft h ec o a t i n g s 0 r 2 0 3 8 t 1 0 2 c o a t i n g sa n dh a r dc h r o m ep l a t i n gc o a t i n g s f r i c t i o n a lb e h a v i o u ra n dw e a r m e c h a n i s mi nd i f f e r e n tf r i c t i o nc o n d i t i o n sw e r es t u d i e d t h e0 r 2 0 3 8 t 1 0 2c o a t i n gh a sat y p i c a ll a m i n a rs t r u c t u r ew i t ha b o u t10 p o r o s i t y ，w h i l eh a r dc h r o m ep l a t i n gc o a t i n gh a sad e n s es t r u c t u r ew i t ha b o u t 1 p o r o s i t yar e l a t i v e l yh i g hm i c r o h a r d n e s sw i t hl a r g ev a r i a t i o nb e t w e e n 1 2 8 6 2 1 4 3 h vw a so b s e r v e df o r0 r 2 0 3 8 t 1 0 2c o a t i n g ，n e a r l yt w i c ea sh a r da s h a r dc hr o m ep l a t i n gw i t hm i c r o h a r d n e s so f8 6 0 h v i nd r y f r i c t i o nc o n d i t i o n ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dm a s sl o s so f0 r 2 0 3 8 t 1 0 2 c o a t i n gw e r el o w e rt h a nt h a to fh a r dc h r o m ep l a t i n g a n dt h eh i g h e rs l i d i n g s p e e d ，f r i c t i o n c o e f f i c i e n to fc r 2 0 3 8 t 1 0 2c o a t i n gw a sl o w e rd u et oh i g h p o r o s i t y , t h ew e a rm e c h a n i s mo f0 r 2 0 3 - - 8 t 1 0 2c o a t i n gw a sm i c r o - f r a c t u r ew e a r t h eh a r dc h r o m ep l a t i n g sw e a rm e c h a n i s m w a sa d h e s i v ew e a r i nl u b r i c a t e dc o n d i t i o n ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f0 r 2 0 3 8 t 1 0 2c o a t i n gw a sl o w e r t h a n h a r dc h r o m ep l a t i n g sf r i c t i o nc o e f f i c i e n t i ne x p e r i m e n t sw h i c hw e r e c a r r i e do u tu n d e r5 0 na n do7 8 m s ，c e r a m i c sc o a t i n g sh a sa no b v i o u s l yb e t t e r w e a r r e s i s t a n c et h a nt h eh a r dc h r o m ep l a t i n gt h em a i n l yw e a rm e c h a n i s m s o f0 r 2 0 3 8 t i 0 2c o a t i n gw e r ea b r a s i v ew e a ra n dm i c r o f r a c t u r ew e a ra n dt h e m a i nw e a rm e c h a n i s m so fh a r dc h r o m ep l a t i n gw e r ea b r a s i v ew e a ra n d a d h e s i v ew e a r i nc o n c l u s i o n t h ep l a s m as p r a y e d0 r 2 0 3 8 t 1 0 2c e r a m i cc o a t i n gh a sa l o w e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dm a s sl o s st h a nh a r dc h r o m ep l a t i n g k e yw o r d s ：p l a s m as p r a y i n g ，c r 2 0 3 8 可0 2c o a t i n g h a r dc h r o m ep l a t i n g ， f r i c t i o na n dw e a r i i 附录d ： 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 雕嘿缝娩算翌l 叩年月，7 日 ( 注：手写亲笔签名) 。 。 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 修亏菊 调年6 只fc | 日 第一章综述 第一章综述 1 1 课题研究的目的和意义 材料的疲劳断裂、腐蚀、磨损等造成的经济损失十分惊人。工业领域有7 0 8 0 的机器是因为磨损而报废，全世界能源有1 3 1 2 消耗于克服各种形式 的摩擦，美国每年由于磨损造成的经济损失约占国民经济生产总值的4 ，约合 4 0 0 0 0 亿美元；材料的腐蚀使发达国家造成的经济损失约占国民经济生产总值的3 5 。由于材料的磨损和腐蚀一般发生在材料的表面，因此可以通过提商 材料的表面性能来改善材料的耐磨和耐蚀性能。 材料表面技术主要有以下优势【2 1 ：( 1 ) 无需改善整体材料能使表面获得某种 理想的功能( 如防腐、耐磨、耐高温、抗氧化等) ，获得整体材料不能或很难得 到的性能；( 2 ) 表面成膜、表面合金化以及其它表面改性方法用材很少，因此可 以采用较贵重稀缺的元素或化合物而不会显著增加成本，使工件质量成倍地提 高；( 3 ) 既可以用来对材料进行保护，又可用来提高工件质量，还可以对工件进 行修复。 常用的表面技术有【3 】： ( 1 ) 表面覆盖技术，包括电镀、热喷涂、粘结、涂装等。 ( 2 ) 表面改性技术，包括喷丸强化、表面热处理、化学热处理等。 ( 3 ) 两种或更多种表面技术的复合技术。 镀铬层具有较高的硬度、良好的耐磨性和耐蚀性等特点，被广泛用于提高零 件的耐磨性、防腐性以及修复零件尺寸等。镀铬层对于钢铁零件而言为阴极性镀 层，对钢铁零件起到有效的保护作用；镀硬铬技术在内燃发动机零件、印刷板、 液压缸、起落架、轧辊、泵、曲轴、机床以及发动机汽缸柱塞等工件上得到广泛 应用【4 】。传统的镀铬技术采用六价铬酸作为主要的电镀原料，六价铬镀层白亮且 硬度高，耐磨损和防腐蚀性能好。采用六价铬酸电镀工艺简单，维护方便【5 】成 本较低。这一工艺在生产过程中产生大量的6 价铬雾气，这种雾气是种致癌物质， 对环境造成极大的污染【们。因此，人们一直努力在寻找能够替代电镀硬铬的表面 涂层工艺。随着近年来表面涂层技术的发展，已经有一些涂层的使用效果证明比 电镀硬铬镀层更清洁、更有效1 7 1 。 等离子喷涂技术将具有耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性的陶瓷材料喷涂到金属 河海大学硕士学位论文等离子喷涂c r 2 仉8 啊0 2 涂层的摩擦磨损性能研究 材料表面，与金属材料牢固结合。使具有优异耐磨性、耐腐蚀性和高温稳定性的 陶瓷与具有高强韧性，可加工性、导电导热性的金属牢固地结合，发挥两类材料 的综合优势，同时满足机械产品对结构性能( 强度、韧性等) 和环境性能( 耐磨、 耐腐蚀、耐高温等) 的需要，从而可获得理想性能的复合材丰斗【】。等离子弧具有 温度高、能量集中、焰流速度高、稳定性好、可调节性好等特点，因此等离子喷 涂具有零件变形小、工艺稳定、可喷涂材料种类多等优点，特别适用于喷涂硬度 高、耐高温的氧化物陶瓷材料。 涂层的耐磨性能除摩擦副材料的一些固有特性外，很大程度上取决于涂层材 料的硬度和涂层的厚度，与陶瓷涂层相比，镀铬层的硬度不是很高，一般只有 8 0 0 9 0 0 h v ，而等离子喷涂陶瓷涂层硬度却要高得多，如等离子喷涂c r 2 0 3 的硬 度通常有1 4 0 0 1 8 0 0 h v ，并且工件在高温条件下工作时陶瓷涂层的各项性能基 本不受影响。镀铬层的硬度却会随着工作温度的升高而下降，高温时耐磨性也大 大下斛1 。但是等离子喷涂陶瓷涂层在较高的温度下仍然能正常工作。一般来说 涂层的硬度越高其耐磨性能就越好，因此理论上等离子喷涂c r z 0 3 基氧化物涂层 的耐磨性能优于镀铬层，大量研究也证明了这一点1 1 2 1 。等离子喷涂涂层的厚度一 般 l m m ，通常控制在o 3 o 4 m m 左右；镀铬层的厚度一般 1 0 0um ，通常为 2 0 5 01 tm 左右【1 3 l 。戚墅堰机车车辆工艺研究所在活塞环表面等离子喷涂 c r 2 0 3 5 s i 0 2 3 t i 0 2 涂层以提高其表面耐磨性能，并且已经投入了生产与运用之 中。而等离子喷涂涂层所固有的孔隙能起到储油或润滑剂的作用，还能容纳因磨 损所产生的磨屑，从而使接触面保持清洁，起到减摩作用i l j 。 本课题的主要研究对象是启闭机液压油缸活塞杆表面涂层，启闭机液压油缸 活塞杆承受着腐蚀和磨损，特别是受不同水环境和潮湿环境下的腐蚀。大型液压 启闭机通常用于启闭大型水利枢纽工程的闸门，它是水利大坝的关键设备之一。 它的使用寿命以及其运行的可靠性、稳定性对于水利工程大坝的防洪泄洪、航运 和水力发电设备的正常工作有着十分重要的意义。液压式启闭机是一种由机、电、 液、仪为一体的新型启闭机械，以液压缸为主体，油泵、电动机、油箱、滤油器、 液压控制阀组合的总成，如图1 1 所利1 4 1 。工作原理是以电机为动力源，电机带 动双向油泵输出压力油，通过油路集成块等元件驱动活塞杆来控制闸门的启闭。 由此可见，活塞杆是液压启闭机的核心部件，其质量好坏对于启闭机工作的稳定 2 第一章综述 性和使用寿命有着直接的影响。 图1 i 液压启闭机 由于水利水电工程的特殊性，启闭机一直处于潮湿的环境中工作，启闭机中 的活塞杆不仅要承受一般活塞杆所承受的摩擦磨损，还要承受潮湿环境和各种污 染环境的腐蚀，因此其失效形式主要是腐蚀和磨损，为提高活塞杆的耐磨耐蚀性 能，传统的方法是对活塞杆进行表面镀硬铬保护，这种方法简单，也有一定的效 果。但是传统的镀铬活塞杆耐磨耐蚀性能不够好，特别是环境较差时，仍然容易 生锈，使用一段时间后会出现漏油现象，甚至“卡死”，直接影响到闸门的启闭 和定位【i i 。因此，研究人员一直在努力寻找替代镀铬层的涂层材料。 德国已经在水电站、大型水库、石油开采以及海洋开发所用的液压启闭机液 压缸的大型活塞杆上使用等离子喷涂陶瓷涂层替代镀硬铬。在低应力滑动磨损和 腐蚀工况下工作的轧钢机的液压活塞杆、水轮机叶轮轴和磨环、大型推土机的液 压活塞杆、凸轮随动件等，都可以用等离子喷涂陶瓷层来替代镀铬，以达到质量 高、寿命长、维修少等目的i 引。 1 2 国内外研究现状 影响喷涂材料摩擦磨损性能的因素有很多，如涂层的孔隙率、表面粗糙度， 使用载荷的大小，摩擦副之间的相对运动速度，摩擦副之间的润滑条件等。材料 的磨损率也会随着这些因素的改变而有较大的变化。国内外学者对影响磨损率的 因素做了许多的研究。 河海姆硕士学位论文 等离子喷涂c r 2 1 ) | - 3 n 0 2 涂层的摩擦磨损性能研究 1 2 1 国外研究现状 j v o y e r 和b r m a r p l e i b l 采用超音速火焰喷涂和高能等离子喷涂方法在钢 基表面上分别喷涂了1 2 c o w c 和l o n i w c 金属陶瓷涂层，其中高能等离子喷涂 1 2 c o w c 和l o n i w c 金属陶瓷涂层的孔隙率分别为6 和1 3 ，而超音速火焰喷涂 1 2 c o w c 和l o n i w c 金属陶瓷涂层的孔隙率都 1 ，所得的四种涂层试样与石墨 盘配副在干摩擦条件下进行摩擦试验，试验结果表明在相同的摩擦条件下喷涂试 样的耐磨性能与涂层的孔隙率成正比，如图i 2 所示，适当的孔隙率反而有助于 提高材料的耐磨性能。 詈 蒹 嘱 挂 鍪i ll l 濂层 图1 2 滑动试验中转子和定子的质量损失 a e d r i s y ，t p e r r y ，y t c h e n g 汞l a t a l p a s 1 6 l 采用电弧线材喷涂的 方法在铝合金表面熔敷低碳钢涂 层，试样与工具钢钢销配副在干 摩擦条件下载荷为1 0 7 5 n 时，销 子以0 2 2 5m s 的速度转动进 行摩擦磨损试验，结果见图1 3 所 示。高载+ 低速时试样表面的磨损 率最高，高载+ 高速时试样表面的 磨损率反而下降，低载+ 高速时试 样表面的磨损率最低；对试样表 面的磨损率起到关键作用是试样 量 e 1 ；| 卜 蜂 鼬 4 滑动速度 m s 图1 3 磨损率与载荷、速度的关系 6 5 4 3 2 1 0 奄邑嗽幂母牛霉 第一章综述 表面氧化膜生成的速度与厚度 d i p a n t e l i s ，p p s y l l a k i 和n a l e x o p o u l o s l l 刀在球墨铸铁表面等离子喷 涂a 1 2 0 3 涂层，与淬火工具钢配副进行摩擦磨损试验，载荷在5 0 1 6 0 n 之间变化， 滑动速度为1 4 0 m s 。试验过程中摩擦系数随时间的延长先加大后小幅下降，当 摩擦系数下降到一定的值时开始趋于稳定，过了这一稳定期后摩擦系数又开始缓 慢地下降，如图1 4 。陶瓷涂层的磨损率曲线可以分为三个阶段：第一阶段涂层 的磨损率呈下降趋势，第二阶段涂层的磨损率基本上保持不变，第三阶段涂层的 磨损率则呈上升趋势。载荷越小第二阶段持续的时间则越长，否则反之，当载荷 为1 6 0 n 时第二阶段消失，磨损率曲线直接从第一阶段过渡到第二阶段，如图1 5 所示。陶瓷涂层在试验过程中磨损率的变化与摩擦系数的变化有一定的联系，摩 擦系数较大时试样的磨损率也比较大，当摩擦系数处于稳定阶段时试样的磨损率 也处于稳定阶段，在该阶段试样的磨损率很小，当试样的磨损率进入快速增长阶 段时摩擦系数反而有所下降。 v 、呐、0 ，、l 阶段 ；i 阶j 弛1 。阶j 曼c 。 02 0 0 0 04 0 0 0 06 0 0 0 0 8 0 0 0 01 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 转数( ) 图1 4 摩擦系数与试验时间的关系 转熬 图1 5 不同试验载荷下试样磨损率与转数的关系图 s 埔 籁唾艇避 暑，5雠曙迎 河海大学硕士学位论文 等离子喷涂c r 2 0 ，$ t i 0 2 涂层的摩擦磨损性能研究 国外对热喷涂层替代镀铬层的也进行了一些研究，r e i g i i i e r d a 采用2 0 0 p m 石英砂作磨料，按a s t m g 6 5 标准，研究了h v o f 喷涂w c - c o c r 涂, 层和电镀硬铬 镀层的耐磨性能，h v o f 喷涂w c c o c f 涂层的平均磨损量只有电镀硬铬镀层的 2 0 2 5 1 8 1 ，如图1 6 所示。 o3 0 06 0 09 0 01 2 0 0 持续时问s 图1 6 涂层的磨损量比较 1 2 2 国内研究现状 国内对热喷涂技术应用于耐磨涂层的研究也较多，也有一些关于用热喷涂涂 层替代镀铬层的研究。 资州i 】研究了爆炸喷涂a 1 2 0 3 陶瓷涂层、硬铬镀层及c r l 2 m o v 钢组成不同的摩 擦副的在干摩擦条件下的磨损率。a 1 2 0 ya 1 2 0 ，摩擦副的失重率比硬铬硬铬摩擦 副低7 倍；用尺寸损失比较，硬铬镀层的磨损率也比a 1 2 0 3 涂层的磨损率大3 倍。 彭坤，王飚和诸小丽研究表明：等离子喷涂w c - c o 涂层抗粘着磨损、磨料磨 损性能优于镀铬【州。黄河- - f l 峡6 m 直径轴流水轮机上曾采用过喷涂w c m 硬面 陶瓷和电镀稀土铬，三个洪水期后，w c m 硬面陶瓷依然完好，丽电镀稀土铬 镀层损失2 0 左右，显示t w o m 硬面陶瓷涂层良好的抗冲刷磨损能力 2 0 1 。 王引真、孙永兴、何艳玲1 2 l 】研究了等离子喷涂工艺参数对c r 2 0 3 涂层结合强 度和耐磨性的影响，影响涂层性能及其稳定性的最重要的工艺参数是电流，其次 为涂层厚度；电流和涂层厚度之间有一定的相互作用。涂层孑l 隙率是影响涂层性 能的主要原因，涂层的抗拉结合强度与耐磨性之间存在着正比关系。郭兴伍、苏 启、杜挺1 2 2 1 研究了等离子喷涂c r 2 0 3 陶瓷涂层的摩擦磨损性能，c r 2 03 陶瓷涂层 的磨损率随载荷的增大而增大，涂层的磨损机制主要为脆性微观刨削及扁平化喷 6 5 3 5 2 5 1 5 o 3 2 1 o ，l水幂器堆#晴 第一章综述 涂颗粒的界面脱粘，涂层的耐磨性与扁平化喷涂颗粒之间的粘结强度密切相关。 任靖日、金石三1 2 3 】研究t a c 4 c 铸铝合金表面等离子喷涂a h 0 3 - 4 0 t i 0 2 和c r 2 03 陶瓷粉末涂层的滑动摩擦磨损特性，研究结果表明：c r 2 0 3 涂层的摩擦学性能优 于a 1 2 0 3 - 4 0 t i 0 2 涂层；涂层的结合强度、硬度和表面孔隙对磨损影响较大； a 1 2 0 3 - 4 0 t i 0 2 涂层的磨损机理主要表现为层状剥离；而c r 2 0 3 涂层则主要为磨粒 磨损。祝要民、肖红滨【2 4 j 等人指出在a 1 2 0 3 中加入一定量的t i 0 2 可以明显降低涂 层的孔隙率，并提高涂层的抗拉强度从而提高涂层的耐磨性能，在a 1 2 0 3 中加入 1 3 2 0 t i 0 2 时涂层的耐磨性能最好。由于c r 2 0 3 陶瓷涂层的孔隙率较高，加 入少量的t i 0 2 不仅可以明显降低涂层的孔隙率，而且c r 2 0 3 陶瓷涂层的组织硬度 也不会有明显的下降，因而使涂层获得较优的组织结构性能和耐磨耐蚀性能。 由于热喷涂陶瓷涂层不仅具有极好的耐磨性，且在稀硫酸，磷酸、甲酸等酸 类和n a o h 等碱类以及河水、海水中，都有很强的耐蚀能力。因而正成为传统镀 铬层强有力的竞争者和取代者。实际应用方面，如化工厂的高压往复计量泵柱塞， 采用等离子喷涂a 1 2 0 3 t i 0 2 陶瓷层柱塞的寿命是原来镀铬柱塞寿命的六倍【s 1 ；薄 钢板冷轧机的张力辊( 0 7 6 0 m m xm1 7 3 0 m ) 用喷涂w c c o 涂层替代镀硬铬，使用 寿命从2 5 4 月延长到6 年，维修费用降低到原费用的0 1 o 2 。超音速火焰喷涂 具有能选择多种涂层材料、涂层硬度高、结合强度高、含氧化物少等特点，已在 某些轧辊、球阀、液压支柱、飞机起落架等制品上成功地取代了镀硬铬。热喷涂 技术由于工艺选择和材料选择范围广，能够选择硬度高、摩擦系数低、红硬性好 的氧化物类陶瓷涂层或碳化物类金属陶瓷涂层，其耐磨性能远优于镀硬铬镀层， 且沉积效率很高，容易喷涂厚涂层，可以实现局部强化，环境污染小，因而在许 多应用领域都已经成功地取代了硬铬镀层2 5 讲】。 1 3 目前存在的问题 热喷涂有众多优点但也有不少缺点：主要是涂层的结合强度较低，除喷焊 外，热喷涂层与基体的结合主要是物理结合，结合强度不高，涂层耐冲击和重载 性能较差；涂层含有一定的孔隙和夹杂，对于耐腐蚀、抗氧化、绝缘等应用，必 须采取适当的措施，否则不如整体材料；热能利用率低( 如等离子喷涂，只有3 5 的热能被用于熔化涂层材料) ，导致生产成本高；热喷涂手工操作时的劳动条 件较差，有噪音、粉尘、热和弧光辐射问题，必须注意劳动保护措施等，这些因 7 河海大学硕士学位论文 等离子喷涂c r 2 0 ) - s 币0 2 涂层的摩擦磨损性能研究 素都制约着热喷涂工业的大发展 2 8 1 。 近年来，等离子喷涂的陶瓷涂层成为国内外热喷涂领域的研究热点，其中 a 1 2 0 3 、z r 0 2 和c r 2 0 3 是研究最多的陶瓷涂层，其研究涉及到涂层的耐磨性、耐蚀 性和耐热冲击性掣2 9 - 3 0 。而且等离子喷涂c r 2 0 3 陶瓷涂层也在一些对耐磨性能要 求较高的领域中得到了运用。但国内对等离子喷涂c r y 0 3 涂层的应用还很少，特 别是对等离子喷涂c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层的耐磨性能及摩擦磨损机理的研究很少， c r 2 0 3 - 8 t i 0 2 涂层与电镀硬铬的耐磨性能对比研究还未见报道。所以通过研究等离 子喷涂c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层与电镀硬铬的耐磨性能，对推广c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层替代电 镀硬铬在耐磨性能要求较高的零部件上的应用有很大的经济意义和环保意义。 1 4 本文的主要研究内容 本课题主要研究等离子喷涂c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层与电镀硬铬的耐磨性能以及摩 擦磨损机理，为促进等离子喷涂c r 2 0 3 8 t 1 0 2 涂层代替镀硬铬技术，为等离子喷 涂c r 2 0 s - 8 t 1 0 2 涂层在水利机械上的应用提供理论依据。 本文的主要研究内容： ( 1 ) c r 2 0 3 - 8 t 1 0 2 涂层的制备，陶瓷涂层与镀铬层的力学性能试验和微观结 构分析。制备离子喷涂c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层，并对涂层的硬度、结合强度、孔隙率 进行分析测试。用金相显微镜和扫描电镜等方法对涂层和镀铬层截面和与基体的 界面的微观组织和形貌进行观察测试，并用能谱分析仪对试验前后试样表面的物 质成分进行分析。 ( 2 ) 研究c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层、镀铬层在干摩擦条件下的摩擦磨损性能。对比 c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层、镀铬层在干摩擦条件下，试验时间、试验载荷和滑动速度对 涂镀层的磨损率、摩擦系数等的影响。 ( 3 ) 研究c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层、镀铬层在润滑条件下的摩擦磨损性能。对比 c r 2 0 3 8 t 1 0 2 涂层、镀铬层在润滑条件下，试验时间、试验载荷和滑动速度对涂 镀层的磨损率、摩擦系数等的影响。 ( 4 ) 通过观察试验前后c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层、镀铬层的表面形貌和表面物质成 分变化来分析涂镀层的磨损机理和耐磨性能。 8 第二章试验方法 第二章试验方法 弟一旱饥短力法 2 1 选材及涂层制备 2 1 1 材料选择 2 1 1 1 基体材料 本试验选择4 5 钢作为盘试样基体材料，基体尺寸为0 3 8 m m x l o m m ，如图2 1 。 由于镀铬层以及等离子喷涂c r 2 0 3 - 8 t 1 0 2 涂层的硬度较高，为了降低摩擦副之间 的硬度差，减缓摩擦副中销试样的磨损速度3 n ，对磨件硬度也较高，选耐磨性 能较优的g c r l 5 轴承钢钢销，尺寸为0 5 r m x 2 5 m m 。 吲 4 二l l 划 图2 1摩擦试验盘试样 2 1 1 2 涂层材料 ( 1 ) 粘结层材料 由于金属材料在结合键、晶体结构和热物理性能等方面与陶瓷涂层材料有相 当大的差别。因此为了降低这些因素对陶瓷涂层与金属基体结合强度的影响，在 金属基体上喷涂陶瓷涂层时，通常需要先在金属基体表面喷涂一层粘结层。 对粘结层材料要求【1 】： 1 ) 能与金属基体表面形成牢固的结合，以提高陶瓷涂层与金属基体的结合 强度。 2 ) 能形成致密的抗氧化、耐腐蚀涂层，以防止高温下氧气或者腐蚀介质通 过陶瓷涂层的孔隙侵入，保护基体金属不被氧化和腐蚀。 3 ) 能形成粗糙的粘结表面，表面粗糙度甚至超过喷砂预处理后的粗糙度， 以提高工作层与粘结层之间的结合强度。 9 河海大学硕七学垡论文等离子喷涂c q o ，_ 8 n 0 2 涂层的摩擦磨塑丝! ! ! 墅塑 4 ) 粘结层材料的热物理性能特别是热膨胀系数和热导率，最好介于基体金 属材料和工作层陶瓷涂层之间，以减少热膨胀的差别和不匹配性，降低涂层内应 力和体积应力。 本课题采用的粘结层材料是由北京矿冶研究总院生产的镍基复合粉末 n i c r a l ，其成分和性质如表2 1 所示。 n i c r 灿为多元系自粘结层材料，由于n i c r 朋中的c r 、a 1 为强氧化物形成 元素，在高温下生成的c r 2 0 3 、a 1 2 0 3 薄膜十分致密、强韧，同时化学性能十分稳 定。在喷涂n i c r a i 时会发生强烈的放热化学反应，从而提高了喷涂粒子的热焓， 对基体表面薄层施加补加热，延长熔融粒子在基体表面的凝固时间和降低急冷速 度，有利于获得微区的界面扩散而形成冶金特性的自粘结效应，因而显著提高粘 结层与基体的结合强度【1 1 。 表2 1n 卜c r - a 1 成分及物理性质 ( 2 ) 工作层材料 耐磨涂层材料本身的性能以及涂层材料与基体材料的机械匹配性与化学匹 配性、旌加压力的方向和大小等都影响到耐磨涂层材料的选择。在选择耐磨涂层 材料的时候应该满足以下要求1 l ： 1 ) 确保涂层与基体有足够的结合强度，基体材料的选择与设计应确保涂层 的牢固性。 2 ) 在喷涂的高温焰流中，具有良好的热稳定性和化学稳定性，不会发生氧 化、挥发、升华等。 3 ) 与基体材料或者粘结层材料有良好的性能匹配。包括对基体或粘结层的 润湿能力。热膨胀系数、热导率、电化学性能如电极电位等。 4 ) 不会与基体发生有害的化学反应。 5 ) 粉末材料应满足喷涂工艺要求。粉末应清洁、干燥，其流动性、粒度和 粒度分布、松装密度等应该符合工艺要求。 由于陶瓷材料晶体结构的特点，其具有较高的化学稳定性和很高的硬度，故 具有良好的耐磨损性能；陶瓷材料有很强的化学惰性，不像金属材料那样因自由 1 0 第二章试验方法 电子转移得失而容易被腐蚀。在自然环境中，包括大气、水等环境中，陶瓷材料 的腐蚀速率都很小，因而被广泛用于改善材料的表面性能 3 2 3 6 1 。 c r 2 0 3 具有极好的化学稳定性，很好的粘结性能，而且喷涂工艺性能好等特 点，因此通常使用c r 2 0 3 涂层来提高构件的耐磨或耐蚀性。但是c r 2 0 3 结合键主要 为以金属阳离子与氧阴离子相结合的离子键，结合力强，表现为硬度高、较脆、 熔点较高、延展性差的特点。0 2 具有较好的喷涂工艺性能，与基体的粘结强度 高，粉末沉积率高，涂层孔隙率低，十分致密并且涂层韧性好、容易加工等特点。 因此在c r 2 0 3 中添加少量的n 0 2 可以显著提高涂层的物理性能、与基体的结合力 以及涂层的致密性，同时提高c r 2 0 3 粉末的沉积率，而且涂层的硬度也不会受太 大的影响【”。由于水利工程中液压启闭机的液压油缸的活塞杆不仅要承受启闭闸 门时一般油缸所承受的磨损，更重要的是必须耐露天潮湿、水汽、水温、水线变 化等的腐蚀，为了提高活塞杆的耐磨耐蚀性能，本课题选择在活塞杆的表面等离 子喷涂c r 2 0 3 8 t i o ：层作为工作层，其成分和性质如表2 2 所示。 表2 2 c r 2 0 3 一s t i 0 2 粉末特性 2 1 2 涂镀层制备 2 1 2 1 电镀硬铬试样 电镀试样基体材料为q ) 3 8 m m x1 0 r a m 的4 5 钢圆盘，委托常州崔北电镀有限公 司电镀硬铬，镀层厚度约2 5 0 1 t i n ，电镀硬铬工艺参数如表2 3 所示。 表2 3 电镀硬铬j = 艺参数 2 1 2 2 等离子喷涂试样制备 本课题采用的等离子喷涂设备为美国普莱克斯公司的3 7 1 0 型等离子喷涂系 统，包括p s 一1 0 0 型电源、s g 1 0 0 型喷枪、h f - - 2 2 0 0 型高频启动器、1 2 6 4 型 送粉器、a m s 3 2 6 5 型制冷热交换器和3 7 1 0 型控制柜等，等离子枪和控制柜如图 2 2 所示。 河海大学硕：e 学位论文 等离子喷涂c r 2 0 3 - g t i 0 2 涂层的摩擦磨损性能研究 s g 1 0 0 型等离子喷棺3 7 1 0 型控制柜 图2 23 7 1 0 型等离子喷涂系统设备 进行喷涂试验前，首先用3 0 目氧化铝对试样表面进行喷砂，以达到清洁和 粗化表面的目的。同时把粘结层n i c r a l 金属粉末和工作层c r z 0 3 8 t i 0 2 粉末放在 d g g - 9 0 7 0 b 型烘箱中经7 0 0 c 烘干6 小时。之后将经过表面处理的试样装在专门 的夹具上，用表2 4 的喷涂工艺参数分别喷涂粘结层n i c r a i 和工作层 c r 2 0 3 8 t i 0 2 。本课题采用的主气和载气均为氩气，辅气为氦气，喷射角度9 0 4 左右。 表2 4等离子喷涂工艺参数 参数 电流电压主气辅气载气送粉率喷涂距离喷枪速度 涂八 ，a1 3 l m i nl m i nl m i n g m i n m m r a m 一 n i c r a i7 0 03 9 46 7 12 3 16 1 42 3 71 2 01 0 0 c r z 0 3 8 t i 0 2 8 0 04 0 76 7 12 7 26 1 44 7 21 2 01 0 0 首先对涂层进行外观检测，观察涂层表面是否均匀一致，涂层表面应无气孔 以及其他影响涂层质量的缺陷。如果涂层出现裂纹、剥落及氧化现象，则放弃该 试样1 3 7 1 。 2 2 涂镀层的检测 2 2 1 涂镀层表面形貌 等离子喷涂c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层喷涂态的表面粗糙度为r a 7 6 1 1 4 u m ，表面 粗糙度太高，需要经过磨削处理后才能进行摩擦磨损试验【“。电镀硬铬试样表面 的光洁度较好，表面粗糙度一般在r a0 4 肛m 左右。等离子喷涂试样表面加工前 后形貌图和电镀硬铬表面形貌图如图2 3 所示。 1 2 第一二章试验方法 c a ) 原始态喷涂表面( b ) 加j 后喷涂表面 ( c ) 镀铬层表面 图2 3 试样表面形貌3 图2 4 为等离子喷涂c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层和镀铬层表面电子显微镜照片，图2 4 ( a ) 为陶瓷涂层表面加工后的扫描电镜照片，涂层表面分布了一些孔洞、夹杂 物而且涂层表面显得并不致密。图2 4 ( b ) 为镀铬层表面的扫描电镜照片，镀层 表面分布着许多微小的裂纹，但是即使在高倍放大倍数下镀层表面仍然没有孔 洞，镀层非常致密。 ( a ) 陶瓷涂层表面形貌2 5 0 0 x( b ) 镀铬层表面形貌4 0 3 0 x 圈2 4 等离子喷涂c r 2 0 3 8 t i 0 2 涂层和镀铬层电子显微镜照片 2 2 2 涂镀层显微组织观察和孔隙率测定 金相试样取自中2 5 4 m i n x 3 0 哪的圆柱体，如图2 5 。将等离子喷涂制得的试 样，用金相切割机进行切割试块，得到大小合适的试快来制备金相试样。金相试 样的制备包括切样、镶样、磨样和抛光等步骤。为避免破坏涂层的显微结构，先 在中2 5 4 r a m 3 0 m m 的试样表面用金相切割机开一个深大约8 m m 的十字型槽，如 图2 6 所示。喷涂后，选取切断的小尺寸试样喷涂侧面作为金相观察面。对于电 镀硬铬试样，直接采取线切割的方法切割下来一块试块用来制备金相试样。用金 相试样镶嵌机填充酚醛树脂后镶嵌，依次用3 2 0 目、4 0 0 目、6 0 0 目、8 0 0 目、 河海大学硕士学位论文 等离子喷涂c r 2 q 8 啊0 2 涂层的摩擦磨损性能研究 1 0 0 0 目、1 2 0 0 目碳化硅金相砂纸打磨，最后用抛光机抛光，得到涂层与镀层的 金相样。 l 二二! 、一 图2 5 金相试样图2 6 金相试样开槽示意图 金相试样在g 0 5 型卧式金相显微镜下观察涂层以及镀层与基体的结合状 况和显微组织，并拍摄金相组织照片。通过金相组织分析可直接观察到涂层的组 织结构，涂层与基体的结合情况，以及涂层中的微观缺陷，如孔洞、裂纹、夹杂 物等。 孔隙率是检验涂镀层质量的一个重要指标，它标明了涂镀层对基体防护作 用的优劣程度。孔隙率的测定采用c i m a s 2 0 金相图片分析软件分析，其测定过 程是先用金相显微镜和摄像头进行涂层截面的图像采集。计算机将灰度等级分为 0 2 5 5 共2 5 6 个等级，不同的灰度设置不同的值，根据数值大小定出覆盖涂层 黑色区域( 孔隙区域) ，计算黑色区域所占整个组织的面积比例，此比例直接反 映出涂层的孔隙率。测定孔隙率时，随机选取5 个不同的区域，计算平均值【3 8 】。 图2 7 ( a ) 为陶瓷涂层截面的金相图，涂层呈层状结构，有孔隙和夹杂颗粒 等缺陷，用c i m a s 2 0 金相图片分析软件测得涂层的孔隙率约1 0 9 6 。图2 7 ( b ) 是镀铬层截面的金相图，镀层致密，孔隙率在1 左右。图2 7 ( b ) 和( c ) 为陶 瓷涂层和镀层截面形貌图，从图中可以看出，涂镀层与基体材料的结合处有明 显的界面，说明涂镀层与基体间以机械结合为主。图2 7 ( d ) 为镀铬层1 0 0 0 倍的电镜图，由该图可见镀层涂层很致密空隙率很低。 1 4 第二章试验方法 c a ) c r 2 0 3 - s t i o z 涂层截面形貌( o m )( b ) 镀铬层截面形貌( o m ) ( c ) 陶瓷涂层截面形貌( s e m )d ) 镀铬层截面形貌( s e m ) 图2 7 涂层和镀层的截面形貌图 2 2 3 涂，镀层的厚度测定 涂镀层的厚度主要根据零件的具体使用要求来确定，它主要取决于零件的 尺寸精度要求和零件的磨损极限，在满足零件使用要求的情况下，涂镀层的厚 度越薄越好，这样不仅可以降低制造成本，另外还可以提高涂镀层与基体的结 合力。因为涂镀层厚度越大，一般涂镀层与基体的结合强度就越低。因此，易 磨损机械零部件表面，或者磨损之后进行尺寸修复时镀铬层厚度一般在2 0pm 8 0um ，较厚的达1 0 0pm 以上【3 9 l ，等离子喷涂涂层的厚度通常控制在0 3 卸4 m m 左右。 为了使镀铬层和等离子喷涂陶瓷层的实验数据更加具有可比性，本课题采用 的镀铬层厚度和陶瓷涂层厚度尽可能相当。利用卧式大型金相显微镜，经过标尺 标注后，测量从基体表面到工作层表面的总厚度，然后换算成实际尺寸，即为涂 层厚度。涂层和镀层的厚度测量结果如表2 5 。等离子喷涂涂层抛光后总的厚度 为2 9 0 i tm ，镀铬层的厚度2 5 0 pn l 。 河海大学硕士学位论文 等离子喷涂c 唧b 譬n o ：涂层的摩擦堕塑丝丝婴塑 表2 5 涂层镀层厚度( p m ) 2 , 2 4 涂，镀层的硬度测定 一般情况下，硬度与其耐磨性能有很大的联系，且耐磨性能与硬度值一般成 正比关系。材料的硬度值是衡量材料耐磨性能的重要指标之一由于涂层组织的 非均匀性、致密性和氧化物含量的不同，涂层不同点的硬度也不同。为了更加准 确地得到涂层和镀层的显微硬度值，分别在涂层和电硬铬镀层的截面任取5 个点 来测量它们的显微硬度，求这5 个点的平均值作为涂层和镀层的平均硬度值。同