（机械设计及理论专业论文）镍包石墨自润滑涂层摩擦磨损性能研究.pdf

摘要 摘要 本文选用镍包石墨粉末，采用等离子喷涂和氧一乙炔火焰喷涂两种热喷涂技术制备 镍包石墨自润滑涂层，采用拉伸试验测定涂层的结合强度，通过正交试验优化设计火焰 喷涂的主要工艺参数；测定镍包石墨自润滑涂层的密度，孔隙率；运用扫描电镜、x 射 线衍射仪等微观分析仪器，对涂层的磨痕表面形貌、磨损颗粒的成份组成及形貌进行分 析，探讨了室温条件下镍包石墨自润滑涂层的摩擦磨损性能及磨损机理。 干摩擦条件下的实验表明：固定载荷条件下，随着转速的升高，镍包石墨自润滑涂 层的摩擦因数开始较平稳，后来变化幅度逐渐增大，磨损率逐渐增大。固定转速条件下， 随着载荷的增大，涂层的摩擦因数有先变小后增大的趋势，磨损率逐渐增大。从磨损形 貌分析：镍包石墨自润滑涂层摩擦磨损机理主要为磨粒磨损、粘着磨损，并伴随有疲劳 裂纹、块状的疲劳剥落坑和少量的氧化磨损。 热喷涂技术制备自润滑涂层可现场修复磨损零部件，成本较低，操作方便，修复效 率较高且效果较好。固体润滑剂石墨作为组元被加入到金属基体中形成的自润滑涂层， 可以在对摩表面间发生转移形成润滑薄膜，能使镍包石墨自润滑涂层的摩擦磨损性能得 到较明显改善。和干摩擦条件下4 5 4 钢比较，镍包石墨自润滑涂层表现出较好的减摩性 能。 镍包石墨自润滑材料不仅具有基体金属良好的力学性能、耐磨性能，而且还具有石 墨优良的润滑性能、减摩性能，可以应用于很多产品，包括轴承、密封环、轴承保持架、 齿轮、活塞及活塞环等，是一种比较有应用前景的新型自润滑材料。本文对今后自润滑 涂层摩擦磨损性能研究及其应用具有一定的理论意义和实用参考价值。 关键词：镍包石墨，自润滑涂层，热喷涂技术，摩擦磨损性能，磨损机理。 目录 a b s t r a c t t t l e 枷c l es e l e c t e dn i c ，a d o p t e dp l 踟as p m 如n ga j l do x y a a e m l 朗en 锄es p m y i n gt 0m a k c s lc o a t i n g a d o p tp u l l e x t e i 】【dt 鼯tt om s u r et l l ec o m b m a t l o ni n t c i 略l o 玛o p t l m l z et od e s l g n d i 仃打朗tt e c h i l i c sp a r a l n e t e rb yo n l l o g a l 鸭t ，m e a s u r ec 0 a t i n gd e n s 时、p o r o s l t y ；w o ms 豁， c o m p o s i t i o n 卸dm o r p h o l o g yo fd e b r i so ft h ec o m p o s i t es a m p l e sw e r e 觚a l y z e db ys c 猢m g e l e c t r o nl t l i c r o s c o p e ( s e m ) 趾dx r a yd i f h a c t i o n ( xr1 ) ) ，m ew e a rp r o p e r t i e sa n dw e a r m e c h a l l i s m sw e r ci n v e s t i g a t e di nm et e m p e r a t u r er a n g eo fr o o mt e m p e r a t u r e u n d e rd r y 俪曲o n ，t h er e s u l t ss h o w e dt l l a t a l o n gw i t hr o t a t es p e e dw 嬲h i 曲，t h e 衔嘶o n f a c t o ro fn i cs lc o a t i n gw a sc a l m6 r s t l yu n d e rac e r t a i nl o a d ，t h e nc h a n g e 舢g e da n dt h e r a t i oo fw e a r 锄dt e a ra u 鲫e n t e d u n d e rac e r t a i nr o t a t es p e e d ，a l o n gw i t hl o a di n c r e 嬲鼯，m e 五广i c t i o nf i a c t o ro fc o a t i n gd i m i i l i s h e df i r s t l y t h e ni n c r e 鹊e d 丘n a l l y t h er a t i oo fw e 盯 叭鲫e n t e d 龋a d u a l l y t h e 觚a l y s i so fw e 盯a p p e a r 锄c es h o w e dt h a t w e 盯m e c h 锄i s mo fn i c s lc o a t i n gw e r em a i n l y 伊a i nw e 鸡a d h e 嗽赋w e 瓯觚da l o n gw i mf a t i g u ec r a c k l e ，n u b b y f a t i g u ep i tw h i c hf a l k e d 锄dl i n l eo x i d a t i o nw e 札 s e l f l u b r i c 锄t i n gc o a t i n gm a d eb yt ec ：i l i l o l o g ) ro fh o ts p r a 如n gc 锄r e b u l i da 仕r i t e dp a n s ， t l l ec o s ti sl o w m eo p e r a t i o ni sc 0 n v i e n t ，t l l ee 伍c i e n c yo fr e h a bi sh i 曲e r 锄dt h ee a e c ti s b e t t 既s o l i dl u b r i c a l l tw a si o i n e dt l l em e t a l - m a 奴t of o 咖s e l f l u b r i c a n t i n gc o a t i n g 雒蛐i t ， c a nf o 彻l u b r i c 御1 t6 l mw h e nt h et w o 衔c t i o n a ls u l 下a c e so c c u r r e dd i v e r s i o n 衔c t i o n ，a n dw e a r p r o p e n i e so fn i cs e l f - l u b c 锄t i n gc 0 a t i n gr e c e i v e di m p r o v e dc v i d e n t l y c o m p 鲫c dt o4 5 。 s t e a ll l i l d e rd r y 衔c t i o n ，n i cs e l f l u b r i c 趾t i n gc o a t i n gs h o w e db 甜e rp r o p e r t yw h i c hm “s h 铬 衔c t i o n n “cs e l f - l u b r i c a n t i n gm a t e r i a ln o to 柑yh 鹤f h v o ra ：b l em e d l a n i c a lp r o p e r t y ，w e 盯d b l e p r o p e n yo ft h em e t a l ，b u ta l s oh 嬲c x c e l l e i l tl u b r i c a n tp r o p e n y 锄dp r o p e r t yw h i c hm i n i s h 鹤 衔c t i o no f 卿h i t e ，蛆d 印p l i e st om a n yp r o d u c t s ，i n c l u d i n ga ) 【l e 仃优，h e n m e t i cr i n g ，a ) ( 1 e t r 觑衄e ，g e 甄p i s t o n ，p i s t o nr i n g 觚ds 0o n ，i ti san e wt y p eo fs e l f - l u b r i c 肌t i n gm a t e r i a lw h i c h h a sb e t t e ra p p l i c df b r e g r o u n d t h em i c l eh 弱c e n a i nt l l e r o ys i 印i f i c 锄c e 锄d 印p l i e dr e f e r 饥 v a l u ef o rt h es t i l d y 锄da p p l i c a t i o no ft l l e 衔c t i o n 锄dw e 盯p r o p e n i 髓o fs e l l u b r i c a j l t m g c o a t i n gi nt l l e 觚r c k e y w o r d s ：n i c ，s e l l u b r i c a n t i n gc o a t i n 舀m e n i l a ls p r a 妒n gt e d m i q u e 衔c t i o n 锄dw e 盯p r o p e r t i 懿，w e 缸m e c h a i l i s m 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 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谢意 签名：砬幽澎日期：塑鲎垒墨璺型鱼 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 导师签名： 日期： l 懒钐 k聪参呔影n 第章绪论 第一章绪论 1 1 引言 任何机器和机构的运转，都依赖其构件在约束条件下的相对运动来实现，它们能确 保与运输、起重、材料加工、集电、滑动、密封等有关的工作任务的完成。而相互作用 的表面之间，在相对运动时必然会产生摩擦与磨损。由于机器和机构工作参数的不断提 高，在大多数情况下，在摩擦部件中工作材料的报废，要比机器的其它部分快得多。由 于机器零件磨损所造成的直接与间接损失亦十分惊人，磨损使零件的配合间隙增大，导 致机器的精度下降、效率降低，最后使机器丧失工作能力。机器的早期失效或突然事故， 常常会引起工厂全部或局部停产，造成巨大的经济损失，这样就必须在机器服役期间进 行设备维修和制造大量的备件，因此浪费了许多人力、物力和时间【1 1 。 随着现代机器与机构的运转速度和负荷的急剧增高，以及由于宇航、核能、军工、 低温技术的发展和食品、制药等行业对安全、卫生的要求，导致许多工况条件处于无油 润滑或少油润滑状态下，此时，自润滑材料显示了独特的优越性。自润滑是由自润滑材 料本身含有的润滑介质，在工作过程中逐渐向配对副摩擦界面转移形成润滑转移膜实现 的。实践证明，家用电器、纺织机械、食品机械、制药机械、办公设备、精密机械以及 冶金、宇航、军工等特殊领域的滑动轴承及其他摩擦组件是自润滑材料最合适的应用领 域。 1 2 自润滑涂层的研究现状 1 2 1 自润滑涂层材料的研究现状 根据基体材质不同大致可将固体自润滑复合材料分为金属基、陶瓷基、和非金属基 等三大类。 1 2 1 1 金属基固体自润滑复合材料 金属基自润滑复合材料是以具有高强度的耐热合金作为基体，以固体润滑剂作为分 散相，通过一定工艺制备而成的具有一定强度的复合材料。其中合金基体起支撑负荷和 粘结作用，固体润滑剂起减摩作用。常用的合金基体为耐热合金，如镍基高温合金、钴 基高温合金及n i c r 基合金等【2 3 】，一些难熔金属如w 、m o 、n b 及t a 等，作为基体材料在 真空中的使用效果较好【4 1 。 自润滑复合材料的制备先后出现了以m o 、n b 、w 、t a 等难熔金属为基材，加入m o s 2 、 石墨、p b o 等润滑相，和以a g ( 合金) 为基兼具有低接触电阻低接触噪声等优异性能的 自润滑复合材料。目前，在n i 基、c o 基、n i c r 基等高温耐热合金中添加润滑剂制备的 自润滑复合材料应用研究较多，已有商品化的轴承保持架、密封环、干摩擦轴承、轴瓦、 滑块等。b a f 2 c a f 2 共晶体的镍铬合金，还有将活性元素s 以m o s 2 形式添加到镍基合金 中制备的自润滑材料，它们在高温环境下都具有很好的润滑性能1 5 】。 s 1 i n e y 【2 】采用c a f 2 与银作为润滑剂实现了从室温到9 0 0 范围内和多种气氛条件下 的润滑。 江南大学硕士学位论文 欧阳锦林等【4 】采用银与石墨作为固体润滑剂解决了在1 0 0 0 下的摩擦部件的润滑问 题。 阚存一等【6 ，7 ，8 】在n i c r 合金中添加活性元素s ，其与合金元素反应生成不定比化合 物并促进了合金元素的氧化，进而改善合金的摩擦学性能。 王莹等【9 】利用粉末冶金法对铸造n i c r s 系合金进行了改进，结果发现，粉末冶金 法制备的合金消除了铸造法的宏观缺陷，降低了偏析，从而得到了高强度的合金。同时， s 与合金化元素反应生成了多种硫化物，在润滑机理方面与铸造合金不尽相同。 刘近朱等【1 0 1 在镍基合金中添加s e 制备自润滑合金，并认为s e 与n b 的化合物使得 合金具有润滑性，对其观点目前尚有争议。 1 2 1 2 陶瓷基自润滑复合材料 陶瓷材料具有高硬度、高强度、低密度和高刚度，以及优异的化学稳定性和高温力 学性能等特点，在摩擦学领域得到了相当广泛的应用，但其摩擦因数一般都比较高( o 7 0 8 ) ，很难实现无油自润滑的目的。因此，有关陶瓷基自润滑复合材料及其摩擦学性能 的研究日益受到重视，已经成为当前材料科学和摩擦学领域的前沿课题之一。 s i i n e y 等【1 1 1 3 】选择了c r 3 c 2 为陶瓷相，以n i 为粘结相，c 如和b a f 2 的共熔物与银 为润滑剂制备了性能优异的高温自润滑金属陶瓷涂层p s 2 0 0 ，其在还原性气氛下的摩擦 学性能更优。对上述配方进行调整可制得p s 2 1 2 涂层。p s 系列涂层的研制对解决斯特 林发动机等的高温润滑问题有重要意义【l 引。 n a s a 【1 5 1 6 】以相对较软的c r 2 0 3 替代c r 3 c 2 ，获得了较好的结果。事实上，参照p s 2 1 2 的配方经粉末冶金法制备的复合材料p m 2 1 2 具有与涂层相似的摩擦学性能【i7 1 。p m 2 1 2 的机械和热物理性能优良，其使用温度远超过了传统的轴承材料和碳石墨材料【l 引。 王静波等【1 9 】考察了n i w c p b o 系自润滑金属陶瓷的高温摩擦学特性，发现摩擦化 学产物p b w 0 4 是该类材料具有优异摩擦学特性的主要原因。直接加入p b w 0 4 时材料的摩 擦学性能较好，但其机械性能略差。对n i s i c p b o 系自润滑金属陶瓷的研究发现，硅 酸铅具有较好的润滑性。国内研究者对合金化元素的作用进行了较为详细的阐述，认为 固溶强化不仅有利于提高机械性能，而且有利于改善摩擦磨损性斛删。 1 2 1 3 非金属基自润滑复合材料 非金属材料主要指一些高分子聚合物材料，由于聚合物本身重量轻，具有较低的摩 擦因数，优良的机械性能及耐腐蚀性等优点，特别是各种填料的加入使其耐磨性显著提 高，正在被广泛的应用到减摩自润滑材料领域1 2 。 目前常见的减摩用聚合物有：聚四氟乙烯( p t f e ) 、尼龙( p a ) 、聚甲醛( p o m ) 等工程塑料。其中p t f e 本身也是一种良好的固体润滑剂，是研究较早、应用最广的耐 热性聚合物基自润滑材料，其分子结构规整，静摩擦因数可达o 0 4 ，是已知的可实用的 滑动材料中摩擦因数最小的【2 2 2 丌。 与其他固体润滑剂相比较，高分子材料作为滑动部件具有以下优剧列j ： ( 1 ) 韧性好，能有效地吸收振动，无噪音，不损伤对偶材料； ( 2 ) 化学稳定性好，摩擦磨损对气氛的依赖性小，在水中或海中也能使用； 2 第一章绪论 ( 3 ) 低温性能好，即使在液氨，液氢的超低温条件下仍能发挥其润滑作用，在真 空中同样可以应用； ( 4 ) 高分子材料最引人注目的优点是其与润滑油的共存性，他具有很强的耐油性， 诸如酚醛树脂和聚缩醛等都适应作含油轴承使用，而其他许多承受高负荷的固体润滑膜 却不行； ( 5 ) 电绝缘性优良。其缺点为：机械强度低，承载能力差；不宜再高温下使用； 有吸湿性，时效变化明显：轴承的间隙大，因而配合精度低。 1 。2 ，2 自润滑涂层制备技术的研究现状 目前自润滑涂层制备技术主要有烧结、热喷涂、电镀、化学镀、激光熔覆技术等。 1 2 2 1 烧结法 烧结法是将已配好的料浆经喷涂、浸涂等方法均匀地涂在底材的表面，在高温下烧 结而成，其工艺很简单。 1 2 2 2 热喷涂技术 热喷涂技术是制备自润滑涂层的有效途径之一，主要开发出的有爆炸喷涂、火焰喷 涂、等离子喷涂等，而等离子喷涂应用最广泛，其原因在于等离子火焰气流的热量高度 集中，流速高，气氛可控，可获得高质量的涂层。无论是涂层与工件表面的结合强度， 以及涂层本身的强度、密度和纯洁度，还是喷涂时的沉积效率和沉积率都比较高。 1 2 2 3 电镀技术 电镀也是广泛应用的材料表面改性方法，可以通过改变基材及分散微粒来满足不同 的使用条件，在制备具有润滑性能的减摩耐磨复合镀层方面近几年来也取得了很大进 展。所用固体润滑微粒主要有m o s 2 、b n 、石墨、氟化石墨、聚四氟乙烯等，它们与金 属共沉积成复合镀层。 1 2 2 4 化学镀技术 与电镀相比，化学镀不需要外加电源，几乎可适用于各种材质表面，而且设备简单， 成本低廉，镀层均匀，孔隙率小，还能在塑料、陶瓷等多种非金属基体上沉积。开始的 研究焦点化学镀镍层具有优异的耐腐蚀与抗高温氧化性。为了使化学镀镍层具有自润滑 减摩性能，在镀液中添加了p t f e 、氟化石墨、m o s 2 等固体颗粒，使其在施镀的过程 中分散在镀层中形成分散镀层。 1 2 2 5 激光熔覆技术 激光熔覆技术【2 9 】是一种新发展起来的表面工程技术，它对基体和涂层材料无限制， 能实现在低熔点的工件上熔覆一层高熔点的合金，能控制稀释，可局部熔覆，微观结构 细致，热影响区小，并使涂层材料快速熔化和冷却而与基体材料形成良好的冶金结合， 结合强度高。在制备耐磨、耐蚀、抗氧化、热障、生物涂层等方面，激光熔覆技术都获 得了很成功的应用，但在制各自润滑涂层方面目前很少有人做过。开展激光熔覆自润滑 涂层的研究，充分利用激光熔覆技术的特点，丰富材料体系，在更大的领域发挥潜力是 日后个值得研究的领域。 3 江南大学硕士学位论文 1 2 3 自润滑涂层结构的研究现状 从固体润滑涂层的结构和制造工艺发展看，固体润滑涂层经历了单层单组分涂层、 多层多组分梯度涂层、超晶格纳米结构涂层和智能涂层四个阶段。 1 2 3 1 单层单组分涂层 一般来说，单层单组分的固体润滑涂层性能不能同时满足低摩擦因数和磨损速率的 要求，只有极少数的单层单组分的润滑涂层得到了工业应用。其制造工艺一般比较简单， 但制造设备条件要求比较高，涂层一般具有一二种相结构，厚度在几十个微米以下，工 作时，润滑转移膜在1um 【3 0 】左右。目前商业上比较成功的润滑涂层有单层的m o s 2 【3 1 3 3 】 涂层( 或者掺杂了n i ，a u ，p b 等元素) ，金刚石和类金刚石【蚓( d l c ) 结构涂层，软金属( 或 其氧化物) 和部分高分子材料等。像m o s 2 、石墨、b n 、某些硼酸盐等，它们有着类似 的层状晶体结构，层与层之间移动的范德华力比较小，导致他们具有较低的摩擦因数， 但是它们的摩擦性能受环境( 水蒸气，氧气等) 的影响。 1 2 3 2 多层多组分梯度涂层 具有优良综合性能的涂层基本上是多层多组分涂层或者是多组分的梯度结构涂层。 一般通用模型是，最低层为硬度比较高的材料，中间层为韧性好而且耐腐蚀、氧化的材 料，最上层为润滑涂层。如果基材比较软，底层的硬质相是必须的，它在摩擦磨损的过 程中起着耐磨且支撑润滑相的作用。因此设计涂层涉及到的支撑相材料可以是硬质润滑 剂，也可以是其它较硬的材料( 如碳化物、氮化物、硼化物) ，例如s i c ，c r 3 c 2 等【3 5 ，3 6 1 。 梯度涂层厚度一般从几十微米到几百微米，其制造工艺除了真空沉积技术外，还有超音 速火焰喷涂( h v o f ) ，等离子喷涂，激光熔覆等工艺。周静等【3 7 】采用等离子喷涂技术， 以碳化铬( c r 3 c 2 ) 为硬质相，分别从高、中、低温固体润滑剂中选取了a g ，c a f 2 ，石墨 ( c ) ，m o s 2 ，b n 作为润滑的组元，制备了相容性极佳的高温润滑涂层，其梯度结构优于 单层结构，最大优点是缓和了涂层内部的物理性能差异，不仅使涂层的硬度得到平稳过 渡，而且使涂层的综合机械性能大大提高。 1 2 3 3 超晶格纳米结构涂层 纳米结构材料在固体自润滑涂层中的应用将会为高温润滑涂层的发展带来革命性 的影响【3 引。纳米级的颗粒决定了其具有更高的比表面积，易于制造高强度、高韧性、高 耐磨性的涂层。可以使润滑涂层的厚度大大降低，从而不影响产品的精度。但是控制纳 米级润滑涂层的结构和成形是比较困难的，这也是高温固体润滑涂层研究的热点之一。 1 2 3 4 智能涂层 智能涂层【3 9 】是一个全新的概念，其概念是自润滑涂层的摩擦性能随着温度压力等外 在条件的改变而改变，以满足我们在不同环境下的需求。设计变色龙自适应涂层要求对 涂层微观结构和化学性能，以及它们在温度压力下循环或快速的反应有深刻的了解。该 类固体润滑涂层一般为纳米级的多层多组份涂层，除了保证它们本身的润滑作用外，如 何设计它们通过反应得到新的润滑相是智能涂层研究的关键。 1 3 本研究的意义及主要内容 自润滑涂层能够减少摩擦磨损造成的能源、机械零部件浪费，延长机械的使用寿命， 4 第一章绪论 有效提高机械零部件的寿命，在不影响机械使用的情况下，动态完成磨损部位的自修复， 还可能在不拆卸的情况下对机器零件进行动态润滑，突破了传统修复技术难以实现的修 复局限性，实现终身免大修，给传统的维修带来了全新理念。而且自润滑技术节省时间， 提高效率，从节省人力物力财力，降低修复成本和生产成本，提高经济效益来说，具有 巨大的现实意义；同时自润滑涂层的研究是处于摩擦学、材料科学、润滑工程学以及现 代表面科学的结合点，对于完善润滑理论，具有非常重要的意义【删。 本研究的主要内容可以归纳为以下几项： ( 1 ) 选用镍包石墨粉末为自润滑涂层制备的主要材料，采用等离子喷涂和氧乙炔 火焰喷涂两种热喷涂技术制备镍包石墨自润滑涂层。 ( 2 ) 运用拉伸试验法测定镍包石墨自润滑涂层的结合强度，应用正交试验优化氧 乙炔火焰喷涂主要工艺参数。 ( 3 ) 采用直接称重法测定镍包石墨自润滑涂层的密度，并计算出镍包石墨自润滑 涂层的孔隙率。 ( 4 ) 进行摩擦磨损试验，研究在不同转速、不同载荷条件下镍包石墨自润滑涂层 的摩擦磨损性能。 ( 5 ) 运用扫描电镜、x 射线衍射仪等微观分析仪器对摩擦磨损后涂层磨痕的表面 形貌进行观察，探讨镍包石墨自润滑涂层在摩擦磨损过程中的磨损机理。 第一章镩包l i 墨自润滑凉培的制备 第二章镍包石墨自润滑涂层的制备 热喷涂技术足表而工程中重要的表面技术，足表而t 程发展的重要基础是包括材 料学、表面物理化学、等离子物理学、非均质流体力学、传热学、机械学等多学科的边 缘科学。热喷涂技术是通过火焰、电弧或等离子体等热源，将某种线状或粉状的材料( 如 金属、台会陶瓷、高分f 材料等) 加热至熔化或半熔化状态，并加速形成高速熔滴，高 速喷射到工件表面从而与基体形成层牢固的涂层，达到高度m 十磨、减摩、耐蚀、耐高 温以修补恢复尺、j 等目的。由于泼t 艺灵活，施_ l 方便效果显著，适应性强，已经在航 空航天、石油化_ r = 、煤炭、冶会、电力、农机、内燃机车、矿山机械、1 程机械、铁路、 桥梁、汽车、造船、训算机、电子、造纸、纺织、原了能等崮民经济各部门和各行业获 得了广泛的应用。 本研究采用等离，喷涂和氧一乙炔火焰喷涂两种热喷涂技术制各镍包“墨自；| ：l i 滑涂 层，下面分别对两种制备技术的工作原理、工艺特点及制备流程进行详细说明。 2 1 等离子喷潦技术 2 1 1 等离子喷涂的基本原理 等离子喷涂是利用等离子火焰束加热熔化喷涂粉末使之形成涂层的。等离子喷淙丁 作气体常用a r 或n 2 ，再加入s l o 的h 2 ，气体进入电极腔f f 勺弧状区后，被咆弧加 热离解形成等离子体，其巾心温度高选1 5 0 0 0 k 以上，经孔道高压压缩后呈高速等离子 射流喷出。喷涂粉末被送粉气裁入等离子焰流，很快鬯熔化或半熔化状态并高速喷打 在经过料l 化的洁净零件表皿产生塑性变形，枯附在零件表面。再熔滴之洲依靠塑性变形 而十目q 韵接，从而获得结合良好的层状致密滁层。该技术的基本原理图见图2 1 。 “i 囤2 。1 等离子喷潦技术基本原理图 f 1 92 - l ih c n l l o n a i cp l c t 川f p k 8 p m y l n g i e c h n o l o g y 2 1 2 等离于喷涂的工艺特点 ( 1 ) 可以获得再项性能的涂：山】。等高一贲涂火焰温度和进度极高 化井喷涂任似材料，形成的涂崖结合证度较岛，扎瓣一 、低且喷涂数半岛、使用范【日r 等 蠹謦 | ，囊毒 乇 “ r、沁 江南人学硕硕士学位论文 1 多优点，故在航窄、冶金、机械、机车车辆等方面得到广泛的应用，在热喷涂技术中 等离r 喷涂占据着蛙重要的地位。 ( 2 ) 涂层平整光滑，可精确控制厚度。 ( 3 ) 涂层孔隙率低，结合度高，涂层孔隙率可控制在1 l o ，结合强度可达6 0 7 0 n m m 2 。 ( 4 ) 涂层氧化物和杂质古量少，与电镀、电刷、渗碳、渗氮相比，等离子喷涂层更 厚、更硬、更具防腐效果。 ( 5 ) 喷涂过程对基体的热影响小，基体组织不会发生变化，工件受热温度可控制低 f2 5 0 ，因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非会属材料上喷涂。 2 1 j 等离子喷潦制备镍包石墨自润滑潦屉的流程 试样基体为4 5 8 钢，其尺寸为巾6 9 m m 7 m m 。喷涂材料为普通镍包石墨粉末。喷涂 工艺路线：基体表面清洗在k s 一8 0 d 型号超声波仪器中利用无水乙醇和丙酮清洗时 问1 0 m m ；喷砂处理，用6 0 目的会刚砂打麝试样表面：预热试样，使基体表面达到l5 0 2 0 0 ：喷涂t 作涂层，厚度为o1 5 o2 0 m m 。试验用等离了喷涂设备为瑞仁产h r 一6 0 0 等离子自动喷涂机。喷涂工艺参数见表2 一i ： t a b2 一e c l l 【l o i o 口。“p 猢c k ro f p l a s p r 8 y m g 田囊 i ( t m g 岍m ll m m 。y g “s ( a r ) s c c o n ( 1 一l a s ( j i 女p o w d c r 一- g a s ( a r ) 参数 川1 3 2f 【。i n l l ljw l j n m 18 “一m 1 j w ic 1 1 t l t 3 9 e ic c d 啪t c s t a 。1 j 。m s p e e d 参数 5 0 0 ( a )6 8 ( v ) 6 0 ( g m l n )l ( ) 2 2 氧乙炔火焰喷潦技术 2 2 1 氧一乙炔火焰啧溶的基本原理 氧乙炔火焰金属粉末喷熔的原理是以氧一乙炔火焰为热源把自熔剂合金粉术喷涂 在经过预处理的工件表而上，在保证工件不熔化的前提下，加热涂层，使其熔融并润湿 工件，通过液忐合金与吲态工件表面的相互溶解与扩敞，形成一层呈冶会结合并只有特 殊性能的表面熔敷层。其原理罔如图22 所示： 图2 2 氧l 块火焰喷潦基本原理囝 f 1 9 2 0t h c m t i o n a l e p l c m 增o f 0 1 r a c e l b 】e 丌en 8 p ”“g 第章镍包t ，墨自润滑涂层的制备 2 2 2 氧乙炔火焰喷涂的工艺特点 ( 1 ) 发各简单，操作方便，成奉低，现场施工方便。 ( 2 ) 喷涂工艺简单，容易掌握，应用最为广泛。 ( 3 ) 喷涂材料广泛，町喷涂金属、合金、复合粉术、陶瓷及塑料等多种材料。 ( 4 ) 涂层孔隙车较大，涂层的残余应力小可喷制厚涂层。 2 2 j 氧乙炔火焰喷涂制备镍包石墨自润滑潦层的工艺流程 氧乙炔火焰喷涂工岂流程为：喷涂d 口基体表血的预处理、喷涂打底层、喷涂工作层、 涂后处理四个方面【删。 ( 1 ) 基体表血预处理 为了确保涂层与基体的结合质量，先对被喷涂t 件表面进行预处理。其目的足使被 喷涂表面绝对清洁，没有任何油污，表面造成一定的 h 糙度，从而增加结合力。靼化的 方法有：喷砂、机械加工( 车沟槽、压花等) 、电拉毛与喷涂自粘结中问过渡层等。 ( 2 ) 喷涂过渡层 在已处理好的基体表面上首先均匀喷上层结合粉末，考虑到对涂层结合强度的影 响，底层的厚度一般以ol o1 5 m m 为宜。本文中选用钒包镍粉术制备过渡层，粉体形 貌见图23 ( a ) 。图叶1 铝包镍颗粒均匀、粒度在1 0 眦m 左右，符合喷涂过渡层对材料粒 度的要求。 ( 3 ) 喷涂工作层 i 作层足为了满足= 件的使用l 况而设计的，底层喷好之后，立即喷滁工作层粉术， 以防l r 氧化和污染。底层为喷涂i 作层粉末提供了良好的活性表而层，有助j 二提高结合 强度。本文选用普通镍包石墨粉体制备工作层，粉体的形貌见罔23 ( b 1 所示。粉体颗粒 较均匀，粒度在6 0 一1 0 0 m 之刊，符合喷涂工作层的耍球。 喷涂距离刊取为火焰总长度的 分之四， 一般以l o o 一2 0 0 r n m 为直。火焰般采川 f f | 性焰。i 作层的总厚度一般不超过1 m m ，太厚会降低涂层的结合强度。喷滁完牛， 缓慢自然冷却，轴类等可转动的零件叮在午床上旋转冷却。 l aj a n 】p a r n c i e s ( b ) 】“瞎u l a rn lcp a l l l c l c 3 囤2 3 i 州- 粉体和普t ih - 肛柑体形挽s 叫j ! 曼h f 1 92 0s e m l m 8 9 四o f a l | n ia n d l h 。g l l l a r n 舱p o w d n s 4 ) 喷涂后处耻 江南人学硕硕士学位论文 喷涂层的加工主要采用切削和磨削两种。从经济角度出发，优先考虑切削加工，为 了减少磨量，可预先进行车削加工，然后再进行磨削。 2 3 本章小结 分别采用等离子喷涂和氧乙炔喷涂技术制各了镍包石墨自润滑涂层。在运用火焰 喷涂制备涂层的时候，发现不同的加工工艺参数条件下制备出来的镍包石墨自润滑涂层 的质量有所不同，并且找出来了影响镍包石墨自润滑涂层结合强度的几个主要加工工艺 参数：氧气压力、压缩空气压力、乙炔压力和喷涂距离。为接下来采用正交试验，寻找 最佳工艺参数水平制备出有较高结合强度的镍包石墨自润滑涂层做好准备，并对涂层结 合强度、孔隙率的测定和最后的摩擦磨损试验做好涂层制备技术方面的准备。 9 第三章镍包石墨自润滑涂层结合强度的测定 第三章镍包石墨自润滑涂层结合强度的测定 3 1 涂层结合强度简介 涂层的应用领域是十分广泛的，然而不论应用在什么地方，涂层与基体之间的良好 结合都是涂层得以发挥其作用的基本条件。对基材附着不好的涂层，其性质几乎都是不 良的，而且因为涂层非常薄，如果附着力不够强，则在应用环境下很容易脱落，无法保 证持续使用。因此，无论是作为电子电路用涂层、装饰性涂层、保护性涂层，还是工业 上的耐磨涂层，足够强的界面结合力是保证涂层经久耐用的重要因素。在表面工程中， 有相当多的技术是覆膜和覆层技术，对于这些工程，人们最关心的是涂层( 膜层) 的结合 强度，因为没有足够的结合强度，就谈不上工程上应用【4 5 1 。 3 2 涂层结合强度测量方法 实际结合强度( 结合力) 可用两种形式测得。 ( 1 ) 力的形式：测量涂层从基体上分离开时单位面积上所需的最小力； ( 2 ) 能量的形式：测量涂层从基体上分离开时单位面积上所需的能量，通常用剥离功 来表示。 此外，还可将结合力的测量方法分为定性检测和定量检测两种m 】。 3 2 1 定性检测法 主要有：弯曲实验法、基片拉伸法、简易划痕法、锉磨实验法、磨损法、冲击实验 法和热冲击实验法等。 ( 1 ) 弯曲实验法：对于薄型材、线材、弹簧等产品的涂层，可以加外力使其弯曲到一 定程度或反复弯曲，因涂层和基体的弹性模量不同，层间产生分力，通过考察剥离情况， 可定性判定结合强度的高低。 ( 2 ) 基片拉伸法：将附有涂层的基片在拉伸实验机上进行拉伸，则在涂层上将有与拉 伸方向垂直的裂纹出现，由平行裂纹的间距可定性评估膜层的附着强度。 ( 3 ) 简易划痕法：用尖锐的针或锋利刀片划透膜层至基体内，根据划痕两侧膜层翻起， 和脱落的状态可定性评定膜层与基体的结合力强弱。结合力较小的膜层，向两侧翻起以 及脱落的程度大，而结合力好的膜层则不易起皮和脱落。 ( 4 ) 锉磨实验法：对于不易弯曲的试样，可用锉刀或磨轮自基体向镀层方向进行，当 锉磨力一定时，结合强度好的不脱落，结合差的易脱落。 ( 5 ) 磨损法：又称为落砂法，即用某一粒度的硬质砂粒( 如s i c 砂粒) ，按一定的用量， 沿与膜面成某一角度( 一般是4 5 0 ) ，持续冲击膜面，使膜面发生磨损，膜层中附着力弱 的部分就会在落砂的冲击下发生剥落，而膜层附着力的大小就以膜面状态的变化来评 定。 ( 6 ) 冲击实验法：如槌击表面，膜层和基体受冲击会有不同程度的变形，随结合强度 的不同，承受槌击而剥落的能力也不一样。可以定性地判断膜层和基体之间的结合力强 弱。 l o 江南大学硕士学位论文 ( 7 ) 热冲击实验法：加热后骤冷，基体和膜层会有不同程度的胀缩，结合力差的会在 较少的热冲击次数下剥落。 3 2 2 定量检测法 主要有：划痕法、压痕法、拉拨法、刮拨法、附着能法、动态拉伸法、超声波法、 冲击波法、超离心法、电磁力法等。 ( 1 ) 划痕法：将一具有很小曲率半径、圆锥形端头的硬质材料( 通常是金刚石制成) ， 立在薄膜表面，施加一定的法向力并使针沿涂层表面进行刻划，通过划伤涂层来测量涂 层对基体的附着力。根据临界载荷的确定方式，又可分为：声发射检测法、切向力检测 法、振动针检测法、临界附着破坏法等等。 ( 2 ) 压痕法：将维氏或洛氏压头立在涂层表面，一定的载荷压入涂层中直到基片的测 量方法。膜层与基体的界面结合力常用沿着界面裂纹方向的传播阻力或“压痕负荷一径 向裂纹长度一曲线的斜率来评价。与划痕法相比，压痕法对基体的硬度不很敏感。 ( 3 ) 拉拨法：使用胶粘纸把棒状、板状或带状的零件粘接在涂层表面，通过测量拉开 零件使涂层从基片上剥离所需力的大小，求得涂层的附着力。该方法简单易行，但使用 有一定的局限性。 ( 4 ) 刮剥法：使用特制的刮剥刀具，沿基体材料表面“刮入 涂层一基体界面，使得 涂层从基体上剥离下来的方法，对于成功的剥离过程，就以剥离涂层所需克服的阻力或 消耗的能量作为涂层附着强度的量度。此法是现今使用中的附着力测量中少数几个以能 量作为附着强度量度的方法之一。 ( 5 ) 附着能法：在涂层表面粘上一个弹性薄层材料，并由试样边缘连同涂层一起从基 片上剥离少许，然后将一圆柱形楔插入涂层和基片之间。通过缓慢地推动这一圆柱形楔， 使涂层从基片上剥离下来。测量推动圆柱形楔所需的力，并经换算可以求得涂层的附着 能。 ( 6 ) 动态拉伸法：通过制备微型的薄膜拉伸试样，在配有拉伸试样台的扫描电镜下， 观察拉伸过程中膜层裂纹的产生、扩展和膜层的脱落。以膜层剥落时所消耗的剪切应变 能来表征涂层的附着强度。 ( 7 ) 超声波法：涂层在超声波的作用下，产生超声振动，当涂层的动能超过涂层的附 着能时涂层将从基片上被剥离下来，由涂层剥离时超声波的能量可以推算出涂层的附着 能。 ( 8 ) 冲击波法：使用激光或电子束照射试样所产生的压缩冲击波使涂层从基片上剥 离下来，根据使涂层剥离所需的临界功率，可以求得涂层的附着力。 ( 9 ) 超离心法：把铁磁铁和制成转子形状的试样，借助于垂直方向的、放置的支撑线 圈的磁场作用，悬浮在真空中，在以一个以垂直方向为轴的旋转磁场的作用下，转子以 极高的速度旋转，使涂层受到离心力的作用。当转速达到某一临界值时，涂层在离心力 的作用下剥落。测量涂层剥落时的转速，即可得出作用在膜层上的应力值，膜层和界面 的结合力便可得出。 ( 1 0 ) 电磁力法：在绝缘基片上附着的导电涂层中通以直流电，并同时垂直施加磁场， 第1 _ = 章镍包t f 墨自澜滑涂层结台强度的测定 则滁层将受到r n 磁力的作用。通过改变r 乜流和磁场的方向使得电磁力的方向与膜层垂 直，当涂层所受的乜磁力超过涂层的附着力时，膜层从基片上剥离r 米。测最此时涂层 中通过的电流和外加磁场，就a ，以求得膜层的附着力。 3 3 镍包石墨自润滑潦层结合强度的测定 3 3 1 测定方法的选用 选用4 5 8 钢作为基体材料，采用氧一乙炔火焰喷涂制备镍包石墨自润滑涂层试样，涂 层结合强度的测定方法选用拉伸试验法，所用粘结剂为北京天i ij 新材料科技有限公司生 产的1 s 8 l l 强力脞，其粘结强度峰值为5 5 m p a ，满足试验的要求。拉伸试验基本原理见 图3l 所示： 图3l 拉伸法删定潦层结合强度原理围 h g3 - l t h e p n n c l p l 。p l c t f c o a t “g b l n a n n t e n s l t y b yu s l “gp u 】啦t e n d m e t h o d 3 3 2 镍包石墨自润滑徐层试样的制备方案 为了考察氧乙炔火焰喷涂几个主要工艺参数对镍包石墨自洞滑涂层结合强度的具 体影响，聚用r 交试验的研究方法j f 交试验由于具自优良的均衡分散性和整齐丌比性， 其设计的试验点具有强烈的代表性，在i 艺改革等多睦j 素试验设计问题中，往往能以比 较少的试骑次数，分析出个囡素的卜次顺序以及对试验指杯的影响规律，筛选m 较满意 的试验结果。_ f 交试验法同时也提高了试验的效率和分析质最。 奉试验主要考察氧气压力、空气压力、乙炔。i 伴压力、喷涂距离四个凼秉，每个因 素取三个水平。利用【f 变试验表l ( 34 ) 安排的正交试验，通过做9 次试验处理4 个因素， 每个因素3 个水平的多凼索试骑问题。_ f 交试验网素水平表见表3 t a b3 lt h e 汕l e o f 缸b r l e 州o f o 蛐0 9 0 n a l f f f ) 州素 n l hn。r l i 力，煺7l 体1 | 【滁趴离 r m p a )( p a ，r m p a ) i 1 1 1 n j 水平l( ) 4 0 4( 】1l ( ) 0 水平2u5u50 l515 0 小r3n 06 01二 ) 0 江南大学硕士学位论文 3 3 3 正交试验的结果厦分析 3 33 l 正变试验的结果 通过正交试验方案，分别按照下表所示的试验号顺序及每个试验号所对应的参数水 平，制备出9 个镍包石墨自润滑涂层试样，并运用拉伸试验方法测定每个涂层的结合强 度，其结果见表3 2 ： t a b3 - 2t h l lo f o 咄o g o n a lc e s to f m u r f a c t o na t m r e ed l 腩r t l e v d s 钮l j h j j宅7l 抹j jl _ = 气体力喷冻跑离 田素 ( p a ) ( m p a )t m p a ) 十，卉强度 试验号 ( m p a ) i f 04 11 f 0 4 13 ( 02 )2 15 0 ) 2 f 05 11 f 0 1 )l f l 0 0 1 3 ( o6 1 2 m 1 5 、 3 ( 0 1 2 f 05 l 6 3 f o m i l88 2 i i 184 0 】62 8 掇差r 3 3 3 2 正交试验结果分析 ( 1 ) 直观分析 直观分析，第2 号试验a 2 b ，c - 仉的涂层结合强度最大 次之。这两号试验的具体条件见表33 t a b3 3t h l to f o n l l o g o n a l t 目o f n o2a l l d 7 因素 瓴。t m ，j 空7l h 一力炊l 体1 _ l | j j【峨涂趴目 试验号 r m p a ) 7 m p d jf m p a )f m t n ) 7 在多因素的试验中，各种圳素之间存在相的措目d 效粜。从这里可以看出，对于比 第二章镲包_ 豢自叫滑涂层结台强度的测定 较复杂的情况只有做多吲素试验，爿能找到好的搭配条件。 ( 2 ) 极差分析 对丁每列，比较各自i 、i i 、i i i 的大小，因为结合强度越大越好，所以结合强度之 和的水半大的比较好。第列