1、在輕微不同的鋼基體溫度下用等離子噴涂的鑄鐵涂層所表現(xiàn)的磨粒磨損性能Ya-zhe Xing1), Qiu-lan Wei2), Chao-ping Jiang1), and Jian-min Hao1)摘要：三種鑄鐵涂料是可以在空氣中進行等離子噴涂的。在噴涂中，輕微不同的溫度分別被控制在平均50，180,2400C。磨料磨損實驗是在涂料處于干燥摩擦條件下進行的。結(jié)果發(fā)現(xiàn)磨料磨損的耐磨性隨著溫度的增加而增強。SEM觀察顯示在磨損試驗中涂料的磨損損耗主要是由于基板的剝落。另外，涂料耐磨性的提高主要歸功于在基板溫度提高時氧化物的形成及機械性能的增強。關(guān)鍵詞:鑄鐵、涂料、等離子噴涂;磨損;粘結(jié)1.簡介

2、最近，很大的興趣都集中在研究鋁合金發(fā)動機的缸孔的防護涂料上1 - 3。作為一種新型表面改性技術(shù)，在適用在這些涂料上等離子噴涂已經(jīng)是一個非常好的應(yīng)用由于其良好的通用性，可靠性和成本的經(jīng)濟性。然而，傳統(tǒng)的噴霧常規(guī)產(chǎn)生的等離子噴涂薄層存在著有限的內(nèi)部結(jié)果的粘合4 - 6。這種顯微結(jié)構(gòu)的特性決定了涂料性能，包括機械性能6 - 7，導(dǎo)熱性能8，腐蝕性能9,導(dǎo)電性10。之前有意義的工作10-13說明涂料基板的連接質(zhì)量在粒子影響襯底表面之前主要是受粒子溫度和襯底溫度的影響。 在這項工作中，離子噴涂在低碳鋼基體表面的三種鑄鐵涂料是要預(yù)熱到不同的溫度。研究說明襯底溫度對磨料磨損性能的影響是等離子噴涂涂層的摩擦表

3、現(xiàn)。2.實驗過程2.1涂料的準(zhǔn)備 商業(yè)用的鑄鐵粉被用做起始噴涂粉末。表1展示了這種粉的成分。這種粉顯示球面形狀的大小的范圍從20到75m。三種類型的鑄鐵涂料沉積在長度30毫米直徑6毫米的低碳鋼棒的橫截面上，使用一種商業(yè)的粒子噴涂系統(tǒng)通過控制噴涂距離和噴涂方法在不同的溫度下預(yù)熱。氬氣作為主要的氣體，氮氣作為輔助氣體。在噴涂的過程中，氬氣和氮氣分別控制在0.7和0.68MPa。主要氣體的流動設(shè)置為60L/h，輔助氣體的設(shè)定為6L/h。氬氣用來作為一種攜帶粉的氣體。在功率為22千瓦(550 A/ 40V)下等離子噴射涂料得到沉淀。每20個通過等離子噴涂技術(shù)的涂料獲得600-800微米候的涂層。微觀紅

4、外線測溫儀用于探測襯底表面的溫度。噴涂的距離控制在150毫米，120毫米，和100毫米。三種涂料分別記為C1,C2,C3。 三種涂層的沉積中，平均的襯底溫度被控制在大約50，180，240攝氏度。此外，C1,C2,C3分別每一個，五個，十個通過后暫停一次。表1 粉末的化學(xué)成分（wt%）CBSiCrFe4.11.51.536.6均衡2.2磨損測試 噴灑后，涂上500-600微米厚的鑄鐵涂料的低碳鋼標(biāo)本通過線切割機機加工得到直徑6毫米長度30毫米的涂銷。室溫滑動磨損實驗在 pin-on-disc 機器（ML-10）上進行，它的原理圖在圖1中展示。在這項測試中，在干燥條件下涂銷滑動在鋼片（直徑200

5、毫米）的水砂紙上（600粒子顆度）。磨損試驗的三個應(yīng)用負(fù)載為2，4，6N，轉(zhuǎn)速是60 r / min。涂銷沿著直徑方向從邊緣到中心移動每30秒完成一次。每完成一次，一個阿基米德曲線在砂紙上畫出，然后換另一張未使用的砂紙上。對每一個樣本，有10個被完成的砂紙。每次畫完后，樣本被清理，干燥和用分析天平測量。2.3 涂料特性描述 涂層的微觀結(jié)構(gòu)特征，斷裂截面和磨損表面的涂料都是可以由配備能量色散x射線能譜(EDX)的掃描電子顯微鏡(SEM，II-XMU,TESCAN,Czech)觀察的。EDX分析應(yīng)用在拋光涂層表面上進行氧含量變化的檢測。磨損表面明顯的孔隙度的估計要使用圖像分析技術(shù)。鑄鐵粉和涂料的階

6、段特點是XRD。涂料硬度在維氏硬度計負(fù)載下1 N的加載時間15秒測量，垂直于沉淀表面方向的彈性模量通過 Knoop 壓痕的方法測定14。Knoop 壓痕使用鉆石硬度計壓頭負(fù)載為1N加載時間為10s。涂層的斷裂韌性是通過Vicker 壓痕試驗測定15 - 16。維氏壓痕試驗使用金剛石壓頭進行壓進，負(fù)載10N加載時間30秒。3 結(jié)果與討論3.1 涂料的磨損 圖2顯示涂料在不同負(fù)載測試下不同磨耗時間下不同的磨損量。涂層磨損量隨著磨損時間和負(fù)載增加而增加。特別地，磨損量隨著襯底溫度的升高而降低。C3的耐磨性是最好的C1是最壞的。一般來說，涂層的磨損性能主要是由結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能決定的與潤滑條件無關(guān)。從圖3

7、的XRD模式來看，可以發(fā)現(xiàn)涂層的相組成沒有發(fā)生變化。涂層主要是由（Fe，Cr）7C3，奧氏體,Fe3O4，F(xiàn)eO，和馬氏體組成。從XRD模式很難檢測到氧化物含量的細(xì)微差別。似乎，涂層的相組成并沒有影響這三種涂料的磨損性能。事實上，在基質(zhì)溫度較高的條件下，噴霧距離短，鑄鐵粒子氧化嚴(yán)重，由于等離子噴射襯底表面的熱影響和樣本冷卻條件下粒子合成的減少。因此，隨著襯底溫度的增加氧化階段粒子數(shù)量增加。EDX分析結(jié)果表明在涂料中氧含量增加隨著襯底溫度的增加，如圖4所示。這與以前工作的結(jié)果一致17。氧化物在涂料中作為固體潤滑劑有利于提高耐磨性。圖2 在（a）2N，（b）4N，（c）6N不同時間的磨損量圖3XR

8、D的粉末涂料和首先噴涂粉末圖4 涂層在不同溫度下氧含量的變化為了研究等離子噴涂鑄鐵涂料的磨損機制，用掃描電鏡觀察涂料的磨損表面。圖5顯示在負(fù)載為6N的磨損表面涂層測試下的微觀圖。測試發(fā)現(xiàn)表面涂層磨損后存在大量的分層，細(xì)槽和孔隙。這里，孔洞是熱噴涂固有的特征。所有這些磨損的表面特性說明分層和劃痕應(yīng)該是涂料磨耗量的原因。另一方面，在比較三種涂層的磨損表面顯微圖（圖5a，5c，5d）之后發(fā)現(xiàn)磨損表面的凹槽之間沒有明顯的大小差異。值得注意的是涂料磨損表面的分層區(qū)域的減少隨著沉積溫度的增加可以被磨損表面的明顯氣孔變化證實。如圖6所示，換句話說，大區(qū)域的分層發(fā)生在C1的磨損表面而小區(qū)域分層發(fā)生在C3的磨損

9、表面。這表明分層區(qū)域的差異主要導(dǎo)致涂層的磨損量的變化。圖5磨損表面SEM顯微圖（a）C1局部放大為（b），（c）C2，（d）C3圖6襯底不同溫度下磨損表面的顯氣孔率的變化3.2 涂層的微觀結(jié)構(gòu) 圖7顯示的是涂料的斷裂截面，清楚的顯示在沉積期間板條內(nèi)部的粘接是隨著基質(zhì)的平均溫度的增加而加強。圖7（a）顯示的是在圖層沉積溫度為50攝氏度可以觀察到由于存在明顯的薄膜層板條的粘接并不好。當(dāng)基質(zhì)的平均溫度達(dá)到240攝氏度時如圖7（c），板條內(nèi)部粘接有明顯的增強。目前的研究結(jié)果表明高的基質(zhì)溫度有助于形成強粘接效果這是由于等離子噴涂金屬涂料的化學(xué)效應(yīng)。這符合現(xiàn)在的等離子噴涂的結(jié)論 11, 18-20。對于C

10、1，板條有大量的氣孔和內(nèi)部粘合相對較差導(dǎo)致高的孔隙度。高孔隙度對耐磨性產(chǎn)生不利的影響。因此，磨損試樣測試在摩擦力的作用下涂層容易從樣本表面中分離。相反，由于沉積溫度較高相對的板條內(nèi)部粘接會增強，因此在磨損測試中涂層會很難被分離。然而，氧化是發(fā)生在熔化粒子的外部。圖7 掃描電鏡的斷裂截面顯微圖斷裂截面:(a)C1，(b)C2，(c)C33.3 涂料的機械性能 陶瓷材料的等離子噴涂的屬性主要是由材料層間的結(jié)合決定的，因此涂料的機械性能也被研究，表2顯示的是涂料橫截面上的面內(nèi)應(yīng)力的性能，發(fā)現(xiàn)硬度和斷裂韌性隨著基質(zhì)氧化層形成的增強而增加21-22。氧化層不利于板條的粘接，另一方面氧化層由于其自潤滑性可

11、以降低摩擦。對于C3盡管嚴(yán)重的氧化不利于板條的粘接但由于自潤滑可以對耐磨性有很大的幫助。這可以證實C3相對于C2,C1有更低的磨損損耗。表2 三種涂層的平面截面力學(xué)性能試樣硬度HV彈性模量MPa斷裂韌性MPa/m2C1818.8±18.1 99.7±30.04.0±0.6C2925.0±18.0165.1 ±36.36.0±1.4C3995.2±37.7173.2 ±40.29.7±2.94.結(jié)論 應(yīng)用于在空氣中的等離子噴涂的三種類型的鑄鐵涂料，通過改變噴涂距離和噴涂方式把襯底鋼的溫度分別控制在50,18

12、0,240攝氏度。樣本襯底溫度的增加會使得材料的耐磨性增強。掃描電鏡觀察結(jié)果表明，涂層的磨損主要是由于涂層從基質(zhì)表面剝落的原因引起的。氧化和板條的粘接是對涂料的耐磨性有很大的作用，氧化物的產(chǎn)生和板條的粘接的加強有助于提升涂料的耐磨性，基質(zhì)溫度的增加和增強板條的粘接有助于平面斷裂韌性的提高。另一方面，自潤滑的氧化物的產(chǎn)生也有助于減小摩擦力。據(jù)此，在磨損測試中，涂料的耐磨性得到提高，分層得到抑制。引用1 S. Uozato, K. Nakata, and M. Ushio, Corrosion and wear behaviorsof ferrous powder thermal spray co

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