反应火焰喷涂TiC-Fe涂层的耐磨性能

D0I:10.13374/j.issm1001053x.2001.03.039 第23卷第3期 北京科技大学学报 VoL23 No.3 2001年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2001 反应火焰喷涂TiC-Fe涂层的耐磨性能 刘长松 黄继华 般声 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研究以钛铁、石墨和纯铁粉为原料，用反应火焰喷涂技术制备TC-F金属陶瓷涂层 的耐磨性能.结果表明，涂层中富TiC和贫TiC片层的显微硬度分别达11.9-13.7GPa和 3.3~6.0GPa.在SRV磨损试验机上经20min的干磨擦试验表明，反应火焰喷涂TC-Fe涂层具有 良好的耐磨性能，大约是常规火焰喷涂WC-N45金属陶瓷涂层的5倍.综合磨痕的轮廓曲线 及其SEM形貌发现，其磨损机理主要是粘着磨损，但也有少量细小的硬质相剥落. 关键词反应火焰喷涂；TiC-Fe涂层；耐磨性能 分类号TG115.5*8;TG174.442 反应火焰喷涂技术已成功制备了TiC-Fe涂 廓曲线并测量其横截面面积S,S与冲程相乘即 层-，它为制备陶瓷-金属复合涂层提供了一条 可得到磨损体积，以表征涂层的磨损性能.用 新途径.本文着重研究利用该技术制备TiC-Fe S-250扫描电镜观察涂层及磨痕的显微形貌. 陶瓷金属涂层的耐磨性能，并与传统火焰喷涂 试验中选用常规氧-乙炔火焰喷涂WC-N45金 技术制备WC-Ni45复合涂层作比较. 属陶瓷复合涂层作为对比试样，其喷涂粉末的 主要成分及制备工艺见表1示. 1试验过程 0.005 试验选用钛铁粉、胶体石墨粉和铁粉为基 24 本原料，首先把铁粉和钛铁粉在酒精介质中分 0,00 涂层 别球磨72h,球料质量比为4：1.球磨后钛铁粉 的平均粒度为4.83m,铁粉为21.91m.胶体石 图1磨损试样示意图（单位：mm) 墨粒径约为4μm(厂家提供).经干燥后，3种粉 Fig.I Schematic of samples for SRV ball-on-disc wear test 末再按组成要求，干混24h,球料质量比为3：1. 表1两种喷涂粉末成分及工艺 混料经干燥后，加入聚乙烯醇水溶液，再用机械 Tablel Two spray powders composition and technics 团聚法制粒，经筛分得到符合喷涂要求的粉末 主要成分（质量分数）%原材料制备工艺 采用CP-D3型普通氧乙炔火焰喷枪，基反应火焰喷涂 Ti-40,C-14, 钛铁、石墨、 铁 团聚法 体材料为45钢，反应火焰喷涂的工艺示意图见 Fe46 文献[1]，喷涂粉末的化学成分及工艺参数见文传统火焰喷涂 Ni4580 WC,Ni45自 混合法 献2,3引磨损试验在德国OPTIMAL公司生产的注N45的主要成分（质量分数，%C0306,C1418,B WC-20 熔合金粉末 SRV磨损试验机上进行，采用球一盘(bal-om-2.0-35,si-3.545,Fe<10,C08.0-12,其他为i disc)对磨方式.试验参数为：球体材料GCrl5, 球体直径10mm,载荷20N,频率30Hz,冲程 2结果及讨论 1.5mm,试样温度为室温，润滑油情况为干摩擦， 金属陶瓷在磨损过程中，硬质相颗粒间距 试验时间20min.磨损试样见图1.通过Talysurf 较大的区域，软基体会率先被磨损，在磨擦接触 5P-120表面形貌仪绘制涂层磨擦面上的磨痕轮 应力的作用下，易发生塑性变形，随时间延长， 塑变积累，在亚表层形成微裂纹.磨损继续进行 收稿日期2000-12-25刘长松男，28岁，博士 ★国家863计划资助项目CNo.715-009-0130) 时，裂纹不断扩展，发展到硬质相/粘结相界面

第 ￾￾卷 第 ￾期 ￾￾￾￾年 ￾月 北 京 科 技 · 大 学 学 报 ￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾介￾￾￾￾】￾￾ ￾￾￾￾￾ 、￾￾￾￾ ￾￾￾ 加￾￾ ￾￾￾ 反应火焰喷涂 ￾￾一 ￾ 涂层 的耐磨性能 刘 长松 黄继华 殷 声 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 ￾￾￾￾ 摘 要 研究 以钦铁 、 石墨 和纯铁粉为原料 ， 用反应火焰喷涂技术制备 ￾￾一￾￾ 金属 陶瓷涂层 的耐磨性能 ￾ 结果表 明 ， 涂层 中富 叭￾ 和贫 五￾ 片层 的显微硬度分别达 ￾￾￾￾ ￾￾￾ 和 ￾ ￾ ￾一￾￾￾ ￾ ￾ 在 ￾￾￾磨损试验机上经 ￾ ￾￾ 的干磨擦试验表明 ， 反应火焰喷涂 肠￾￾￾￾涂层具有 良好的耐磨性能 ， 大约是常规火焰喷涂 ￾￾共￾￾￾ 金属 陶瓷涂层的 ￾倍 ￾ 综合磨痕的轮廓曲线 及其 ￾￾￾ 形貌发现 ， 其磨损机理主要是粘着磨损 ， 但也有少量细小的硬质相剥落 ￾ 关钻询 反应火焰喷涂 ￾￾￾一￾ 涂层 ￾耐磨性能 分类号 ￾￾ ￾￾￾ ￾ ￾ ￾￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾ 反应火焰喷涂技术 已成功制备了￾￾‘￾￾涂 层归，， 它 为制备陶瓷一金属复合涂层提供 了一条 新途径 ￾ 本文着重研究利用该技术制备 ￾￾￾￾￾ 陶瓷金属 涂层 的耐磨性能 ， 并与传统火焰喷涂 技术制备 ￾￾￾￾￾￾ 复合涂层作 比较 ￾ 廓 曲线并测 量其横截面 面积 ￾ ， ￾与冲程相乘即 可得到磨损体积 ， 以表征涂层 的磨损性能 ￾ 用 ￾一￾￾ 扫描 电镜 观察涂层及磨 痕 的显微形 貌 ￾ 试验 中选用 常规氧一 乙 炔火焰 喷涂 ￾￾袄￾￾￾金 属 陶瓷复合涂层作为对 比试样 ， 其喷涂粉末 的 主要成分及制备工艺见表 ￾示 ￾ ￾ 试验过程 试验选用钦铁粉 、 胶体石墨粉和铁粉为基 本原料 ， 首先把铁粉和钦铁粉在酒精介质 中分 别球磨 ￾ ￾ ， 球料质量 比为 ￾ ￾ ￾ 球磨后钦铁粉 的平均粒度为 ￾￾ 阿 ， 铁粉为 ￾ ￾ ￾ 卿 ￾ 胶体石 墨粒径约 为 ￾脚￾厂家提供 ￾ ￾ 经干燥后 ， ￾种粉 末再按组 成要求 ， 干 混 ￾ ￾ ， 球料质量 比为 ￾￾￾ ￾ 混料经干燥后 ， 加人聚 乙烯醇水溶液 ， 再用机械 团聚法制粒 ， 经筛分得到符合喷涂要求的粉末 ￾ 采用 ￾￾一￾ ￾型 普通氧 乙 炔火焰喷枪 ， 基 体材料为 ￾ 钢 ， 反应火焰喷涂的工艺示意图见 文献【￾￾ ， 喷涂粉末 的化学成分及工艺参数见文 献 ￾，￾ ￾ 磨损试验在德 国 ￾￾￾￾￾￾￾公司生产 的 ￾￾￾ 磨损试验机上进行 ， 采用球一盘 伪￾ 一 。 ￾￾￾对磨方式 ￾ 试验参数为 ￾ 球体材料 ￾￾￾￾ ， 球体直径 ￾ ￾ ， 载荷 ￾ ￾ ， 频率 ￾ ￾￾， 冲程 ￾ ￾ ￾￾ ，试样温度为室温 ， 润滑油情况为干摩擦 ， 试验时间 ￾ ￾￾ ￾ 磨损试样见 图 ￾ ￾ 通过 ￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾ 表面形貌仪绘制涂层磨擦面上 的磨痕轮 ￾ ￾ ￾￾￾ ‘ ￾ ￾ ￾ ￾ 飞 ￾ 杏卜 涂层 ‘ 上 圈 ￾ 磨损试样示意图 ￾单位 ￾ ￾￾￾ ￾电 ￾ ￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾ 加￾￾￾￾肠￾ ￾￾￾￾ 如￾ 表 ￾ 两种喷涂粉末成分及工艺 ￾￾￾￾ ￾钾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾ ￾￾ ￾￾￾ ￾血￾￾ 主要成分￾质量分数￾机 原材料 制备工艺 反应火焰喷涂 ￾￾一礴￾ ，￾一￾￾ ￾￾一书 团聚法 传统火焰喷涂 ￾￾￾￾一￾￾ ￾￾一‘￾￾ 铁铁 、 石墨 、 铁 ￾￾，￾￾￾ 自 熔合金粉末 混合法 注 ￾￾￾ 的主要成分￾质量分数 ，￾￾一刁 ￾ ￾刁￾ ， ￾卜￾如￾￾ ， ￾一 ￾ ￾ 小￾ ￾ ￾ ， ￾￾一￾ ￾ ￾￾ ￾ ￾ ， ￾￾￾ ￾￾ ， ￾￾￾￾￾ ￾ ￾￾￾ ， 其他为 ￾ ￾ 收稿 日期 ￾￾乎￾￾一￾￾ 刘长松 男 ， ￾ 岁 ， 博士 ￾ 国家 ￾￾ 计划资助项 目￾￾￾ ￾ 一￾￾ 一￾￾￾￾ ￾ 结果及讨论 金属 陶瓷在磨损过程 中 ， 硬质相颗粒间距 较大的区域 ， 软基体会率先被磨损 ， 在磨擦接触 应力 的作用 下 ， 易发生塑 性变形 ， 随时 间延长 ， 塑变积累 ， 在亚表层形成微裂纹 ￾ 磨损继续进行 时 ， 裂纹不断扩展 ， 发展 到硬质相￾粘结相界面 ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ１００１－０５３ｘ．２００１．０３．０３９

Vol.23 No.3 刘长松等：反应火焰喷涂TC-F心涂层的耐磨性能 ◆241· 后，沿界面扩展，最终导致硬质相的剥落.因此 从磨痕的轮廓曲线（见图3）来看，反应火焰 硬质相之间的颗粒间距在磨损过程中起到了重 喷涂TiC-Fe涂层及常规火焰喷涂WC-Ni45涂 要作用.硬质相颗粒间距λ与其尺寸d及其体积 层的磨痕形状不同.对于WC-Ni45涂层，由于 分数p之间存在：1cd√m,可见当硬质相的体 硬质相含量较少且比较粗大，并且与金属基体 积分数印一定时，随颗粒尺寸d的减小，其颗粒间 结合不良，其磨痕表现出了比较大的凹坑.凹坑 距1也变小.即大量的细小的硬质相颗粒弥散分 是在磨擦过程中软质相发生磨损或大的WC颗 布在基体中的显微结构，对材料的耐磨会起到 粒脱落所致.而反应火焰喷涂TiC-Fe涂层则表 重要作用.图2(a)是反应火焰喷涂TC-Fe涂层 现出了波纹状，这是涂层中含有的细小TC颗 的低倍SEM形貌，可见涂层呈层状结构，由颜 粒在磨擦过程留下的痕迹.由于TC硬质相是 色深浅不同的片层交替叠加而成.图2b)和（©） 在喷涂过程中原位反应合成而得，它与金属基 分别是(a)中颜色浅、深片层的放大5×10倍形 体的界面不易受到污染，具有良好的结合，在磨 貌.用显微硬度仪测量表明，涂层中深色和浅色 擦过程中TC颗粒不易脱落. 片层的显微硬度分别达11.9-13.7GPa和336.0 图4是磨痕的SEM形貌.可以看出，常规 GPa.这说明各片层的颜色差异反映TiC的含量 火焰喷涂WC-N45涂层中有比较大的孔洞，这 不同，富TC层的颜色偏深.同时从图3b)和(c) 是由于较大WC颗粒脱落所致.而反应火焰喷 可以发现，片层中合成的TC大致呈球形，粒度 涂TiC-Fe涂层中的孔洞均比较小，但却有较多 非常细小，一般在0.5m以下.和传统氧乙炔火 的磨屑.能谱分析表明，磨屑的主要成分是C 焰喷WCNi45相比，反应火焰喷涂TiC-Fe涂层 和Fe.这是因为，在耐磨试验过程中，磨擦副之 的每一个片层中，比较细小的TC颗粒弥散分 间的材料会发生转移，金属越相容，转移的量越 布在金属基体上，而传统氧乙炔火焰喷涂WC 多.由于反应火焰喷涂涂层中含有较多Fe,而 Ni45涂层的片层不很明显，WC颗粒（白色区域） 其磨擦副GCr15也含有较多Fe,因此在对磨过 比较粗大，有的颗粒甚至横穿片层（见图2(）. 程中，发生了较多的GC15材料转移. 正因为具有理想的显微结构，反应火焰喷 综合磨痕的轮廓曲线及其SEM形貌，反应 涂TiC-Fe涂层才具有良好的耐磨性能.在SRV 火焰喷涂TiC-Fe和常规火焰喷涂WC-Ni45涂 磨损试验机上经20min的干磨擦试验后，反应 层的磨损机理均为粘着磨损和硬质相剥落.但 火焰喷涂TiC-Fe涂层及常规火焰喷涂WC-Ni45 是，前者主要是粘着磨损，而WC-Ni45涂层则 涂层的磨损体积分别为0.014和0.062mm',即 主要是硬质相剥落 前者的耐磨性约为后者的5倍. (a) 图2反应火焰喷涂TiC-Fe涂层(ac)和常规火焰喷涂WC-Ni45涂层(d的SEM形貌.(a)低倍形貌；b)浅色区 域：（心深色区域 Fig.2 SEM photographs of TiC-Fe coatings obtained by reactive flame spray(a-c)and WC-Ni45 coatings obtained by traditional flame spray(d)

·242· 北京科技大学学报 2001年第3期 a 10 0 且 且 -10 -10 爱 -20 -20 100020002500 -30 0 150030003750 长度m 长度/m 图3反应火焰喷涂TC-Fe(a和常规火焰喷涂WC-N45涂层)南痕的轮廓曲线 Fig.3 Wear scar depth profiles for TiC-Fe(a)and WC-Ni45 coatings(b) (a) 6 图4反应火焰喷涂TC-Fe(a)和常规火焰喷涂WCN5涂层(b)磨痕的SEM形貌 Fig.4 SEM photographs of scar produced on TiC-Fe(a)and WC-Ni45 coatings(b) 3 结论 参考文献 1刘长松，刘永合，殷声.反应火焰喷涂合成TiC-Fe涂 (1)在SRV磨损试验机上经20min的干磨 层的热力学分析.金属学报，2000,36(1：62 擦试验表明，反应火焰喷涂TCFe涂层具有良 2 Liu Changsong.Huang Jihua,Yin Sheng.The Study on 好的耐磨性能，大约是常规火焰喷涂WC-N45 Flame Spray Synthesis TiC-Fe Coatings.Trans Nonfer- 金属陶瓷涂层的5倍. rous Met Soc China,2000(3):405 (2)综合涂层的磨痕轮廓曲线及其SEM形 3刘长松，黄继华，般声.反应火焰喷涂合成T-Fe涂层 貌，反应火焰喷涂TiC-Fe涂层的磨损机理主要 的反应机理.北京科技大学学报，2000,22(3：227 4刘宁，崔昆，胡镇华，等.T(C,)基金属陶瓷磨损机理 是粘者磨损，但也有少量细小的硬质相剥落.而 的研究.磨擦学学报，1999,192)：126 常规火焰喷涂WC-Ni45的磨损机理主要是硬 5 Pagounis E,Talvitie M,Lindroos V K.Influence of Rein- 质相剥落，但也有粘着磨损， forcement Volume Fraction and Size on the Microstruc- (3)反应火焰喷涂TiC-Fe涂层中富TiC和贫 ture and Abrasion Wear Resistance of Hot Isostatic Press- TiC片层的显微硬度分别达119~l3.7GPa和 ed White Iron Matrix Composites.Metall Mater Trans, 1996,27A(12y4171 33~6.0GPa,TiC颗粒大致呈球形，粒度非常细 6刘家浚.材料磨损原理及其耐磨性.北京：清华大学 小（一般在0.5m以下），弥散分布在金属基体 出版社，1993 上，这对涂层具有良好的耐磨性能非常有利. Wear Resistance of Reactive-flame-sprayed TiC-Fe Coatings LIU Changsong,HUANG Jihua,YIN Sheng Material Science and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The wear resistance of TIC-Fe cermet coating prepared by reactive flame spray of ferro- titanimu,graphic and iron powders was sutdied.It was revealed that the microhardness of TiC-rich and TiC- poor layer within the TiC-Fe composite coatings is 11.9-13.7 GPa and 3.3-6.0 GPa,respectively.A dry wear test showed that their wear resistance is five times higher than WC-Ni45 cermet coatings obtained by tradi- tional process.The major wear mechanisms are surface adhesion and a little stripping of TiC. KEY WORDS reactive flame spray;TiC-Fe coatings;wear resistance