耐磨自润滑涂层的组织和性能研究
摘要
为使机械零部件能在真空、高温、高负荷、无油等苛刻环境下具有良好的摩擦学性能从而降低生产能耗,本文以Ni合金为基体,Cr3C2陶瓷为增强相,石墨和MoS2为自润滑相,采用超音速火焰喷涂技术制备了MoS2-Cr3C2基和石墨-Cr3C2基两种自润滑涂层,并对涂层的组织和性能进行了研究。
研究表明:喷涂原材料采用Ni包覆粉末可以有效防止喷涂过程中MoS2和石墨自润滑相及Cr3C2陶瓷相的氧化分解。制备的耐磨自润滑涂层组织疏松,涂层孔隙率较高且孔隙直径较大。由于处于半熔化状态下的陶瓷相粒子对已经形成的涂层产生的冲蚀效应,喷涂原材料中自润滑相的类型不同时会造成涂层中存在的自润滑相数量不同。自润滑相的引入,会影响耐磨自润滑涂层的结合强度和显微硬度。在MoS2-Cr3C2基涂层中,随着喷涂原材料中Cr3C2含量的增加涂层的显微硬度和结合强度增加,但是随着MoS2含量的增加涂层的显微硬度和结合强度明显降低;涂层的摩擦系数、磨损率以及对偶件的磨损率和喷涂原材料中MoS2和Cr3C2的含量显著相关,涂层能够实现自润滑功能。在石墨-Cr3C2基涂层中,喷涂原材料的配比对涂层的显微硬度、结合强度、摩擦系数、磨损率和对偶件的磨损率均没有明显的影响规律,涂层未实现自润滑功能。
在本试验条件下制备的MoS2-Cr3C2基耐磨自润滑涂层的结合强度达到15MPa,显微硬度达到300HV,可以满足一般的使用要求。当喷涂材料中MoS2的含量为8.8wt%,Cr3C2含量为30wt%时,涂层的摩擦系数为0.3,磨损率为4.9×10-3mg/m,对偶件的磨损率为15.7×10-3mg/m,具有较好的自润滑效果。其自润滑功能的实现包括两个过程,首先是涂层中的自润滑相在摩擦过程中剥落填充使涂层摩擦面趋于平整,然后是填充在涂层凹陷区域中的自润滑相转移到涂层的表面形成低剪切强度的薄膜。
In order to improve the tribology property of the machine part, theexperiment choose NiCr coated Cr3C2cermet powder, Ni60 alloy, Ni coatedMoS2and Ni coated graphite as solid lubricating material, two self-lubricatingcoatings(MoS2-Cr3C2 and graphite-Cr3C2) are prepared using HVOF, themicrostructure and tribology property of the two self-lubricating coatings arestudied.
The results indicate that the Ni-coated powders can prevent the burningloss of the lubricating agent MoS2 and graphite; the microstructure of theself-lubricating coating is loose, the porosity of the heterogeneity particles ishigh, porosity diameter is big. Because the half melt ceramic particles haveerosioneffect onthealreadyformedcoating,different kinds ofself-lubricatingphases in the raw spray materials will cause different number of self-lubricating phases in the coating. The inducing of self-lubricating phases havegreat effect on the coatings’anchoring strength and micro-hardness. In theMoS2 coating, the micro-hardness and anchoring strength are increasing withthe increasing of Cr3C2,but reducing with increasing of MoS2 ; the fricationcoefficient, rate of wear of the coating and the rate of wear of the pair ofelement are great effected by the content of MoS2and Cr3C2 in the raw spaymaterial,thecoatingcanrealizeself-lubricating.Ingraphite-Cr3C2coating,the proportion of the raw spray material have no obvious effect on themicro-hardness, anchoring strength, rate of wear of the coating and the rate ofwearofthepairofelement,thecoatingcannotrealizeself-lubricating.
Under the conditions of this experiment, the anchoring strength of theMoS2-Cr3C2 coating can reach 15MPa, micro-hardness can reach 300HV, canmeet the demands of general use. When the content of MoS2-Cr3C2coating is8.8wt%, Cr3C2 is 30wt%,the friction coefficient of the coating is 0.3, rate ofwear is 4.9×10-3, rate of wear of the pair of element is 15.7×10-3mg/m,theeffect of the self-lubricating is good. The realization of the self-lubricatingincludes two procedures: first is in the frication process the self-lubricatingphases in the coating exfoliated and fill the coating which makes the coatingflat , then the self-lubricating phases filled in the hollowly area in the coatingaretransferred tothesurfaceofcoatingandformthelowshearstrengthfilm.
研究表明:喷涂原材料采用Ni包覆粉末可以有效防止喷涂过程中MoS2和石墨自润滑相及Cr3C2陶瓷相的氧化分解。制备的耐磨自润滑涂层组织疏松,涂层孔隙率较高且孔隙直径较大。由于处于半熔化状态下的陶瓷相粒子对已经形成的涂层产生的冲蚀效应,喷涂原材料中自润滑相的类型不同时会造成涂层中存在的自润滑相数量不同。自润滑相的引入,会影响耐磨自润滑涂层的结合强度和显微硬度。在MoS2-Cr3C2基涂层中,随着喷涂原材料中Cr3C2含量的增加涂层的显微硬度和结合强度增加,但是随着MoS2含量的增加涂层的显微硬度和结合强度明显降低;涂层的摩擦系数、磨损率以及对偶件的磨损率和喷涂原材料中MoS2和Cr3C2的含量显著相关,涂层能够实现自润滑功能。在石墨-Cr3C2基涂层中,喷涂原材料的配比对涂层的显微硬度、结合强度、摩擦系数、磨损率和对偶件的磨损率均没有明显的影响规律,涂层未实现自润滑功能。
在本试验条件下制备的MoS2-Cr3C2基耐磨自润滑涂层的结合强度达到15MPa,显微硬度达到300HV,可以满足一般的使用要求。当喷涂材料中MoS2的含量为8.8wt%,Cr3C2含量为30wt%时,涂层的摩擦系数为0.3,磨损率为4.9×10-3mg/m,对偶件的磨损率为15.7×10-3mg/m,具有较好的自润滑效果。其自润滑功能的实现包括两个过程,首先是涂层中的自润滑相在摩擦过程中剥落填充使涂层摩擦面趋于平整,然后是填充在涂层凹陷区域中的自润滑相转移到涂层的表面形成低剪切强度的薄膜。
In order to improve the tribology property of the machine part, theexperiment choose NiCr coated Cr3C2cermet powder, Ni60 alloy, Ni coatedMoS2and Ni coated graphite as solid lubricating material, two self-lubricatingcoatings(MoS2-Cr3C2 and graphite-Cr3C2) are prepared using HVOF, themicrostructure and tribology property of the two self-lubricating coatings arestudied.
The results indicate that the Ni-coated powders can prevent the burningloss of the lubricating agent MoS2 and graphite; the microstructure of theself-lubricating coating is loose, the porosity of the heterogeneity particles ishigh, porosity diameter is big. Because the half melt ceramic particles haveerosioneffect onthealreadyformedcoating,different kinds ofself-lubricatingphases in the raw spray materials will cause different number of self-lubricating phases in the coating. The inducing of self-lubricating phases havegreat effect on the coatings’anchoring strength and micro-hardness. In theMoS2 coating, the micro-hardness and anchoring strength are increasing withthe increasing of Cr3C2,but reducing with increasing of MoS2 ; the fricationcoefficient, rate of wear of the coating and the rate of wear of the pair ofelement are great effected by the content of MoS2and Cr3C2 in the raw spaymaterial,thecoatingcanrealizeself-lubricating.Ingraphite-Cr3C2coating,the proportion of the raw spray material have no obvious effect on themicro-hardness, anchoring strength, rate of wear of the coating and the rate ofwearofthepairofelement,thecoatingcannotrealizeself-lubricating.
Under the conditions of this experiment, the anchoring strength of theMoS2-Cr3C2 coating can reach 15MPa, micro-hardness can reach 300HV, canmeet the demands of general use. When the content of MoS2-Cr3C2coating is8.8wt%, Cr3C2 is 30wt%,the friction coefficient of the coating is 0.3, rate ofwear is 4.9×10-3, rate of wear of the pair of element is 15.7×10-3mg/m,theeffect of the self-lubricating is good. The realization of the self-lubricatingincludes two procedures: first is in the frication process the self-lubricatingphases in the coating exfoliated and fill the coating which makes the coatingflat , then the self-lubricating phases filled in the hollowly area in the coatingaretransferred tothesurfaceofcoatingandformthelowshearstrengthfilm.
引文
[1] 徐滨士,刘世参.表面工程新技术[M].北京:国防工业出版社,2002
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