工程科学学报，第37卷，第12期：1617-1623,2015年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.12:1617-1623,December 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.12.013;http://journals..ustb.edu.cn 超音速火焰喷涂WC一12C0涂层的滑动磨损特性 刘建金”，崔照雯”，贾成厂)四，李斌”，王大峰”，梁栋” 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)装甲兵工程学院装备再制造工程系，北京100072 ☒通信作者，E-mail:jcc@usth.cdu.cn 摘要利用超音速火焰喷涂工艺在铜基复合材料表面制备WC一12C0涂层.分析了涂层的微观结构、相组成和含量以及表 面和截面硬度，并对涂层的摩擦磨损性能进行测试.结果表明：涂层组织和截面硬度分布均匀，耐磨性好，摩擦过程中会形成 两种摩擦膜.磨损率随载荷增加而呈增大趋势，随转速的增加呈先减小后增大的趋势.涂层最适用的环境为300~500r· m和2~3N,磨损率与滑动速度间的回归方程满足一元二次函数：磨损率与载荷间的回归方程满足指数方程. 关键词金属陶瓷涂层：超音速火焰喷涂：滑动磨损：磨损特性：磨损率：摩擦系数 分类号TG174.442 Sliding-wear characteristics of WC-12Co HVOF thermal spraying coatings LIU Jian-jin,CUl Zhao-weng,JIA Cheng-chang,LI Bin,WANG Da-feng,LIANG Dong 1)School of Material Science and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Faculty of Remanufacturing Engineering,Academy of Armored Forces Engineering,Beijing 100072,China Corresponding author,E-mail:jce@ustb.edu.en ABSTRACT WC-12Co coatings were prepared on copper matrix composites by high velocity oxygen-fuel flame(HVOF)thermal spraying.Their microstructure,surface and cross-section hardness,composition and content of phases,and tribological behavior were studied.The results show that the coatings appear uniform microstructure and high hardness.During the wear,two kinds of tribofilms form.The most suitable condition for the coatings is 300-500rminand 2-3N.The wear rate increases with increasing load.While the rotating speed increases,the wear rate presents a trend of first decreasing and then increasing.The fitting equations between wear rate and sliding speed and between wear rate and normal load are quadratic and exponential,respectively. KEY WORDS cermet coatings:HVOF thermal spraying:sliding wear:wear characteristics:wear rate:friction coefficient 金属陶瓷涂层具有极高的耐高温、耐氧化和耐磨 能高，这是由于超音速火焰喷涂具有高的喷射速度，较 损性能，常作为表面防护材料广泛地应用于各个领域 低的加热温度，有效减小喷涂熔滴与大气的作用时间， WCCo涂层是硬面涂层，WC具有良好的喷涂性和耐 提高涂层的致密度，限制WC硬质颗粒的分解，因此超 磨性，而C0黏结相的存在使涂层具有一定的强度和韧 音速火焰喷涂广泛应用于工业领域6 性，采用热喷涂法制备的WC-C0涂层具有极高的耐 WCCo涂层耐磨性的研究大都集中于大载荷和 磨性、耐蚀性、抗高温氧化等性能 大滑动速度，而对于小载荷和小滑动速条件下的研究 超音速火焰喷涂是由日本Jet-Kote公司研制出来 较少.因此，本实验采用超音速火焰喷涂法在铜基复 的喷涂方法，通过燃料与氧气燃烧产生热源，采用超音 合材料上制备了WCH2C0涂层，在小载荷和小转速条 喷涂法得到的WCC。涂层性能比等离子喷涂涂层性 件下对摩擦磨损性能进行研究，并对磨损率一滑动速 收稿日期：201408-10 基金项目：“十二五“装备预先研究资助项目(51326020202)
工程科学学报，第 37 卷，第 12 期: 1617--1623，2015 年 12 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 12: 1617--1623，December 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 12． 013; http: / /journals． ustb． edu． cn 超音速火焰喷涂 WC--12Co 涂层的滑动磨损特性 刘建金1) ，崔照雯1) ，贾成厂1) ，李 斌2) ，王大峰1) ，梁 栋1) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 2) 装甲兵工程学院装备再制造工程系，北京 100072 通信作者，E-mail: jcc@ ustb． edu． cn 摘 要 利用超音速火焰喷涂工艺在铜基复合材料表面制备 WC--12Co 涂层． 分析了涂层的微观结构、相组成和含量以及表 面和截面硬度，并对涂层的摩擦磨损性能进行测试． 结果表明: 涂层组织和截面硬度分布均匀，耐磨性好，摩擦过程中会形成 两种摩擦膜． 磨损率随载荷增加而呈增大趋势，随转速的增加呈先减小后增大的趋势． 涂层最适用的环境为 300 ～ 500 r· min － 1和 2 ～ 3 N，磨损率与滑动速度间的回归方程满足一元二次函数; 磨损率与载荷间的回归方程满足指数方程． 关键词 金属陶瓷涂层; 超音速火焰喷涂; 滑动磨损; 磨损特性; 磨损率; 摩擦系数 分类号 TG174. 442 Sliding-wear characteristics of WC--12Co HVOF thermal spraying coatings LIU Jian-jin1) ，CUI Zhao-weng1) ，JIA Cheng-chang1) ，LI Bin2) ，WANG Da-feng1) ，LIANG Dong1) 1) School of Material Science and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Faculty of Ｒemanufacturing Engineering，Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China Corresponding author，E-mail: jcc@ ustb． edu． cn ABSTＲACT WC--12Co coatings were prepared on copper matrix composites by high velocity oxygen-fuel flame( HVOF) thermal spraying． Their microstructure，surface and cross-section hardness，composition and content of phases，and tribological behavior were studied． The results show that the coatings appear uniform microstructure and high hardness． During the wear，two kinds of tribofilms form． The most suitable condition for the coatings is 300--500 r·min － 1 and 2--3 N． The wear rate increases with increasing load． While the rotating speed increases，the wear rate presents a trend of first decreasing and then increasing． The fitting equations between wear rate and sliding speed and between wear rate and normal load are quadratic and exponential，respectively． KEY WOＲDS cermet coatings; HVOF thermal spraying; sliding wear; wear characteristics; wear rate; friction coefficient 收稿日期: 2014--08--10 基金项目: “十二五“装备预先研究资助项目( 51326020202) 金属陶瓷涂层具有极高的耐高温、耐氧化和耐磨 损性能，常作为表面防护材料广泛地应用于各个领域． WC--Co 涂层是硬面涂层，WC 具有良好的喷涂性和耐 磨性，而 Co 黏结相的存在使涂层具有一定的强度和韧 性，采用热喷涂法制备的 WC--Co 涂层具有极高的耐 磨性、耐蚀性、抗高温氧化等性能［1--5］ 超音速火焰喷涂是由日本 Jet-Kote 公司研制出来 的喷涂方法，通过燃料与氧气燃烧产生热源，采用超音 喷涂法得到的 WC--Co 涂层性能比等离子喷涂涂层性 能高，这是由于超音速火焰喷涂具有高的喷射速度，较 低的加热温度，有效减小喷涂熔滴与大气的作用时间， 提高涂层的致密度，限制 WC 硬质颗粒的分解，因此超 音速火焰喷涂广泛应用于工业领域［6--8］． WC--Co 涂层耐磨性的研究大都集中于大载荷和 大滑动速度，而对于小载荷和小滑动速条件下的研究 较少． 因此，本实验采用超音速火焰喷涂法在铜基复 合材料上制备了 WC--12Co 涂层，在小载荷和小转速条 件下对摩擦磨损性能进行研究，并对磨损率--滑动速
·1618 工程科学学报，第37卷，第12期 度、磨损率一载荷的关系式进行拟合分析 球盘式摩擦磨损实验机上进行摩擦磨损实验，以载荷 分别为2、3、4、5和6N,转速为200、300、400、500和 1实验 600r·min为变量进行测试，以体积磨损率表征涂层 1.1实验材料 的耐磨性.实验中所用对磨球为Z0,直径为5mm, 基材为铜基复合材料，线切割成30mm×3mm 回转半径为3mm,摩损时间为10min,由轮廓仪计算摩 和20mm×3mm两种试样.喷涂用粉是由北京廊桥 擦环的宽度，取10个点取平均值，由下式-0计算涂 表面技术有限公司生产的WCH2Co粉，粉末由团聚烧 层的积磨损率： 结法制得，粉末的平均粒度为15~45um,Co的质量分 (1) 数为12% PL 1.2实验内容 式中：w为磨损率，m3·ml.N-l:AV为磨损体积，m3:P 为外加载荷，N:L为摩擦行程，m 1.2.1WC-12Co涂层的制备 超音速火焰喷涂设备由北京联合涂层有限公司提 2结果与分析 供，涂层制备时以煤油为燃料，氧气为助燃气，氮气为 载气.调整喷涂工艺参数使得喷涂距离为330~350 2.1涂层表面分析 mm,氮气流量为20L·min,煤油为23Lh',送粉速 图1(a)和(b)为WC-12Co涂层的表面形貌.可 率为60gmin',最终制备出厚度为300m的涂层. 以看出涂层表面高低起伏，部分颗粒并没有完全熔融 1.2.2涂层性能测试 由图1(b)可知WCCo颗粒撞击基体后扁平化比较完 采用扫描电镜观察涂层的表面和截面形貌，利用 全，WC粒子在涂层中分布比较均匀而且与黏结相结 X射线衍射仪对涂层的相组成和含量进行分析.通过 合更加致密.图1（℃）为涂层截面形貌，其中左边为涂 维氏硬度计测得涂层的表面和截面硬度，载荷为0.49 层，右边是基体.涂层与基体结合处呈锯齿状，而且界 N,保压时间为15s.涂层用砂纸打磨后，在可控气氛 面处微裂纹、孔隙等缺陷少，涂层一基体结合较好 10m 50μm 图1涂层扫描电镜形貌.()涂层表面形貌：(b)涂层表面形貌放大图：(c)涂层藏面形貌 Fig.1 SEM images of the coatings:(a)coating surface:(b)enlarged view of the coating surface:(c)cross-ectionof the coating 实验测得涂层截面平均值硬度HV0为1361.4，表 硬度较表面硬度低是因为喷涂粒子经焰流加热、加速 面硬度HV0为1654.2，远远超过基体硬度HV098.图 后撞击基体发生扁平化形成的涂层是层状结构@，层 2是涂层截面硬度分布.实验时沿涂层厚度方向取6 与层之间的结合界面较多，缺陷较多，所以硬度较低 个点，间距为40um,第1个点距离表面20m.硬度值 2.2涂层物相分析 为长度方向的5个点的平均值.由图可知涂层截面硬 图3是原料粉末与涂层表面X射线衍射谱.由图 度分布差别较小，说明涂层组织性能均匀.其中界面 可知，原料粉末中只有WC峰和Co峰.同原粉相比， 1450 1400 基体 1350 10 1200 墨1150 1100 1050 1000 20406080100120140160180200 距表面距离/μm 图2截面线硬度示意图.(a)涂层截面：(b)硬度分布 Fig.2 Cross-section hardness:(a)cross-section:(b)hardness distribution
工程科学学报，第 37 卷，第 12 期 度、磨损率--载荷的关系式进行拟合分析． 1 实验 1. 1 实验材料 基材为铜基复合材料，线切割成 30 mm × 3 mm 和 20 mm × 3 mm 两种试样． 喷涂用粉是由北京廊桥 表面技术有限公司生产的 WC--12Co 粉，粉末由团聚烧 结法制得，粉末的平均粒度为 15 ～ 45 μm，Co 的质量分 数为 12% ． 1. 2 实验内容 1. 2. 1 WC--12Co 涂层的制备 超音速火焰喷涂设备由北京联合涂层有限公司提 供，涂层制备时以煤油为燃料，氧气为助燃气，氮气为 载气． 调整喷涂工艺参数使得喷涂距离为 330 ～ 350 mm，氮气流量为 20 L·min － 1，煤油为 23 L·h － 1，送粉速 率为 60 g·min － 1，最终制备出厚度为 300 μm 的涂层． 1. 2. 2 涂层性能测试 采用扫描电镜观察涂层的表面和截面形貌，利用 X 射线衍射仪对涂层的相组成和含量进行分析． 通过 维氏硬度计测得涂层的表面和截面硬度，载荷为 0. 49 N，保压时间为 15 s． 涂层用砂纸打磨后，在可控气氛 球盘式摩擦磨损实验机上进行摩擦磨损实验，以载荷 分别为 2、3、4、5 和 6 N，转速为 200、300、400、500 和 600 r·min － 1为变量进行测试，以体积磨损率表征涂层 的耐磨性． 实验中所用对磨球为 ZrO2，直径为 5 mm， 回转半径为 3 mm，摩损时间为 10 min，由轮廓仪计算摩 擦环的宽度，取 10 个点取平均值，由下式［9--10］计算涂 层的积磨损率: w = ΔV PL． ( 1) 式中: w 为磨损率，m3 ·m － 1·N － 1 ; ΔV 为磨损体积，m3 ; P 为外加载荷，N; L 为摩擦行程，m． 2 结果与分析 2. 1 涂层表面分析 图 1( a) 和( b) 为 WC--12Co 涂层的表面形貌． 可 以看出涂层表面高低起伏，部分颗粒并没有完全熔融． 由图1( b) 可知 WC--Co 颗粒撞击基体后扁平化比较完 全，WC 粒子在涂层中分布比较均匀而且与黏结相结 合更加致密． 图 1( c) 为涂层截面形貌，其中左边为涂 层，右边是基体． 涂层与基体结合处呈锯齿状，而且界 面处微裂纹、孔隙等缺陷少，涂层--基体结合较好． 图 1 涂层扫描电镜形貌． ( a) 涂层表面形貌; ( b) 涂层表面形貌放大图; ( c) 涂层截面形貌 Fig． 1 SEM images of the coatings: ( a) coating surface; ( b) enlarged view of the coating surface; ( c) cross-sectionof the coating 图 2 截面线硬度示意图． ( a) 涂层截面; ( b) 硬度分布 Fig． 2 Cross-section hardness: ( a) cross-section; ( b) hardness distribution 实验测得涂层截面平均值硬度 HV50为 1361. 4，表 面硬度 HV50为 1654. 2，远远超过基体硬度 HV50 98． 图 2 是涂层截面硬度分布． 实验时沿涂层厚度方向取 6 个点，间距为 40 μm，第 1 个点距离表面 20 μm． 硬度值 为长度方向的 5 个点的平均值． 由图可知涂层截面硬 度分布差别较小，说明涂层组织性能均匀． 其中界面 硬度较表面硬度低是因为喷涂粒子经焰流加热、加速 后撞击基体发生扁平化形成的涂层是层状结构［10］，层 与层之间的结合界面较多，缺陷较多，所以硬度较低． 2. 2 涂层物相分析 图 3 是原料粉末与涂层表面 X 射线衍射谱． 由图 可知，原料粉末中只有 WC 峰和 Co 峰． 同原粉相比， · 8161 ·
刘建金等：超音速火焰喷涂WC-一12C。涂层的滑动磨损特性 ·1619· 20000 10000 a WC sWC 8000 o W C 15000 s Co W 6000 0000 4000 5000 2000 4 60 80 100 40 60 20所9 20M 图3WC-12C。原粉(a)和WC-12Co涂层(b)的X射线衍射图谱 Fig.3 XRD patterns of the WC-12Co powder (a)and coating (b) 涂层脱碳形成W,C和W相可，在26角为40·~50间 量的Z:元素，摩擦过程中对磨球还发生材料的转移 存在驼峰，说明存在纳米晶或非晶相，用X射线衍射 表1涂层磨损面成分（原子数分数） 测得结晶指数为93.22%，即非晶指数为6.78%，较 Table 1 Chemical composition of the wearing surface Stewart等m测得的X射线衍射中非晶指数低，其原因 测试部位 W Co 0 Zr C 可能是喷涂工艺参数不同.涂层中并没有检测到C0 涂层 39.8422.155.48 0 32.53 相，因为喷涂时的高温焰流使黏结相C0熔融，此时半 白色摩擦膜 15.03 8.97 55.91 7.81 12.27 熔融的WC将溶入C。中形成固溶体，随后熔融微粒与 灰色摩擦膜20.7211.76 54.00 0 13.52 基体相碰撞时将急速冷却形成非晶相. 2.3摩擦磨损分析 2.3.2涂层磨损率及影响因素 2.3.1磨损机制 将试样用砂纸打磨到2000目，测得基体的平均磨 涂层进行摩擦磨损实验时，摩擦副间的接触方式 损率为2.2×10-2m3N·m.同时以转速和载荷 是对磨球与黏结相以及对磨球与硬质相微凸体的接 为变量测得涂层的磨损率如图6所示.涂层损率数量 触，磨损形式主要是对黏结相的犁削、WC颗粒破碎、 级为10-4~10-Bm3N1m1,基体的平均磨损率为 脱落和涂层的剥落及摩擦膜的形成和破坏1围 2.2×10~2m3·N1·m1,涂层的耐磨性较基体大大 图4是涂层的表面磨损形貌图.由于实验条件是 提高. 小载荷和小转速，所以涂层的磨损机制大致相同.由 由图6(a)可知载荷一定时磨损率随转速的增加 图可知2N时涂层表面存在磨损坑和微凸体，3、4、5和 呈先减小后增大的趋势.这是因为转速较低时由摩擦 6N试样表面还出现摩擦膜如图4(d)所示，其中摩擦 产生的热量也较少，温度升高较小，因此磨屑的塑性变 膜有两种形貌一种是白色块状，另一种为黑色膜状。 化较小，涂层表面并不能形成较连续的摩擦膜，对磨球 涂层表面出现微凸体是由于硬质颗粒周围的黏结相被 直接与涂层相接触故磨损率较大.而且转速较小时， 磨削掉，使得表面的硬质颗粒裸露出来；而磨损坑的形 对磨球与涂层上微凸体相碰撞后产生的动量和冲量较 成是由于黏结相被犁削后硬质颗粒在摩擦副循环载荷 小，它们并不会快速破碎和剥落，而是发生绕过偏移， 的作用下发生破碎、剥落造成的或者是涂层的块状剥 进而对周围的黏结相进行磨削，摩擦环宽度增大，相应 落引起的，如图4(e)所示，其中较大片状磨屑的存在 的磨损率增加.转速增大，由摩擦产生的热量增加，接 说明涂层发生剥落.随着载荷和转速的增加涂层经摩 触面的温度升高，使得磨屑的塑性增强，在外加载荷作 擦力做功转化的热能也增加，温度升高，磨屑的塑性增 用下会在涂层表面形成摩擦膜对涂层起到保护作用， 强并在涂层表面形成摩擦膜，当摩擦膜中硬质相含量 磨损率减小.转速进一步升高时，摩擦膜在对磨球的 较多时便形成图中白色突起摩擦膜，而当摩擦膜中黏 反复高频碾压下将发生加工硬化并产生裂纹如图4 结相含量较多时便形成黑色摩擦膜.在摩擦膜的高倍 ()所示，最终裂纹贯穿，使摩擦膜剥发生剥落，对磨球 放大图4(g)中可以看到摩擦膜中存在裂纹，说明摩擦 也与涂层直接接触，而且较高的温度下涂层的剪切强 膜在循环应力作用下是不断碎裂、脱落和重新形成的： 度也降低国，磨损率增加. 而且涂层表面存在较多的划痕，其是由对磨球上硬质 当转速一定时，随载荷的增大涂层磨损率增大，载 微凸体对涂层的磨粒磨损造成的 荷增大对磨球对涂层黏结相的磨削作用增强，硬质颗 图5和表1分别为涂层磨损区元素分布及含量. 粒的破碎、脱落增大，而且涂层亚表面受到的剪应力增 摩擦膜中氧含量远高于涂层中，所以摩擦膜发生较严 大，使得涂层的剥落增加，最终导致涂层的磨损率 重的氧化.同时还发现在突起的白色摩擦膜中还有少 增加
刘建金等: 超音速火焰喷涂 WC--12Co 涂层的滑动磨损特性 图 3 WC--12Co 原粉( a) 和 WC--12Co 涂层( b) 的 X 射线衍射图谱 Fig． 3 XＲD patterns of the WC--12Co powder ( a) and coating ( b) 涂层脱碳形成 W2C 和 W 相［9］，在 2θ 角为 40 " ～ 50 "间 存在驼峰，说明存在纳米晶或非晶相，用 X 射线衍射 测得结晶指数为 93. 22% ，即非晶指数为 6. 78% ，较 Stewart 等［11］测得的 X 射线衍射中非晶指数低，其原因 可能是喷涂工艺参数不同． 涂层中并没有检测到 Co 相，因为喷涂时的高温焰流使黏结相 Co 熔融，此时半 熔融的 WC 将溶入 Co 中形成固溶体，随后熔融微粒与 基体相碰撞时将急速冷却形成非晶相． 2. 3 摩擦磨损分析 2. 3. 1 磨损机制 涂层进行摩擦磨损实验时，摩擦副间的接触方式 是对磨球与黏结相以及对磨球与硬质相微凸体的接 触，磨损形式主要是对黏结相的犁削、WC 颗粒破碎、 脱落和涂层的剥落及摩擦膜的形成和破坏［11--13］． 图 4 是涂层的表面磨损形貌图． 由于实验条件是 小载荷和小转速，所以涂层的磨损机制大致相同． 由 图可知 2 N 时涂层表面存在磨损坑和微凸体，3、4、5 和 6 N 试样表面还出现摩擦膜如图 4( d) 所示，其中摩擦 膜有两种形貌一种是白色块状，另一种为黑色膜状． 涂层表面出现微凸体是由于硬质颗粒周围的黏结相被 磨削掉，使得表面的硬质颗粒裸露出来; 而磨损坑的形 成是由于黏结相被犁削后硬质颗粒在摩擦副循环载荷 的作用下发生破碎、剥落造成的或者是涂层的块状剥 落引起的，如图 4( e) 所示，其中较大片状磨屑的存在 说明涂层发生剥落． 随着载荷和转速的增加涂层经摩 擦力做功转化的热能也增加，温度升高，磨屑的塑性增 强并在涂层表面形成摩擦膜，当摩擦膜中硬质相含量 较多时便形成图中白色突起摩擦膜，而当摩擦膜中黏 结相含量较多时便形成黑色摩擦膜． 在摩擦膜的高倍 放大图 4( g) 中可以看到摩擦膜中存在裂纹，说明摩擦 膜在循环应力作用下是不断碎裂、脱落和重新形成的; 而且涂层表面存在较多的划痕，其是由对磨球上硬质 微凸体对涂层的磨粒磨损造成的． 图 5 和表 1 分别为涂层磨损区元素分布及含量． 摩擦膜中氧含量远高于涂层中，所以摩擦膜发生较严 重的氧化． 同时还发现在突起的白色摩擦膜中还有少 量的 Zr 元素，摩擦过程中对磨球还发生材料的转移． 表 1 涂层磨损面成分( 原子数分数) Table 1 Chemical composition of the wearing surface % 测试部位 W Co O Zr C 涂层 39. 84 22. 15 5. 48 0 32. 53 白色摩擦膜 15. 03 8. 97 55. 91 7. 81 12. 27 灰色摩擦膜 20. 72 11. 76 54. 00 0 13. 52 2. 3. 2 涂层磨损率及影响因素 将试样用砂纸打磨到 2000 目，测得基体的平均磨 损率为 2. 2 × 10 － 12 m3 ·N － 1·m － 1 ． 同时以转速和载荷 为变量测得涂层的磨损率如图 6 所示． 涂层损率数量 级为 10 － 14 ～ 10 － 13 m3 ·N － 1·m － 1，基体的平均磨损率为 2. 2 × 10 － 12 m3 ·N － 1·m － 1，涂层的耐磨性较基体大大 提高． 由图 6( a) 可知载荷一定时磨损率随转速的增加 呈先减小后增大的趋势． 这是因为转速较低时由摩擦 产生的热量也较少，温度升高较小，因此磨屑的塑性变 化较小，涂层表面并不能形成较连续的摩擦膜，对磨球 直接与涂层相接触故磨损率较大． 而且转速较小时， 对磨球与涂层上微凸体相碰撞后产生的动量和冲量较 小，它们并不会快速破碎和剥落，而是发生绕过偏移， 进而对周围的黏结相进行磨削，摩擦环宽度增大，相应 的磨损率增加． 转速增大，由摩擦产生的热量增加，接 触面的温度升高，使得磨屑的塑性增强，在外加载荷作 用下会在涂层表面形成摩擦膜对涂层起到保护作用， 磨损率减小． 转速进一步升高时，摩擦膜在对磨球的 反复高频碾压下将发生加工硬化并产生裂纹如图 4 ( f) 所示，最终裂纹贯穿，使摩擦膜剥发生剥落，对磨球 也与涂层直接接触，而且较高的温度下涂层的剪切强 度也降低［13］，磨损率增加． 当转速一定时，随载荷的增大涂层磨损率增大，载 荷增大对磨球对涂层黏结相的磨削作用增强，硬质颗 粒的破碎、脱落增大，而且涂层亚表面受到的剪应力增 大，使得 涂 层 的 剥 落 增 加，最 终 导 致 涂 层 的 磨 损 率 增加． · 9161 ·
·1620· 工程科学学报，第37卷，第12期 (a) 10m 10m (d) 10m 104m 10m 10m 10m 图4涂层表面磨损形貌.(a)2N,200r*minl:(b)3N,300r"min1:(c)4N,400r"min1:(d)5N,500r·min1:(e)6N,600r· minl:(f)磨屑：(g)摩擦膜 Fig.4 SEM images of the wor surfaces:(a)2N,200r*min-1 (b)3 N,300r*min-!(c)4N,400r*min1 (d)5N,500 r*min-1:(e)6 N,600rmin-!:(f)wear debris:(g)tribofilm b 50 um 50um 50m 图5涂层磨损面.(a)涂层磨损面：(b)白色摩擦膜：(c)灰色摩擦膜 Fig.5 Wearing surface:(a)wearing coating:(b)white tribofilm:(c)grey tribofilm 涂层的磨损受载荷和转速的影响，在不同的载荷 图6(b)区域1、2、3、4、9、11、12和13所示，这些区域 和转速条件下主导磨损的因素不同，因此三维磨损图 在转速轴的方向增幅较大，在磨损时主导因素是转 各区域沿转速轴和载荷轴方向的增大幅度也不同.如 速4-.其中1、2、3和4区域是随转速的增大磨损率
工程科学学报，第 37 卷，第 12 期 图 4 涂层表面磨损形貌． ( a) 2 N，200 r·min － 1 ; ( b) 3 N，300 r·min － 1 ; ( c) 4 N，400 r·min － 1 ; ( d) 5 N，500 r·min － 1 ; ( e) 6 N，600 r· min － 1 ; ( f) 磨屑; ( g) 摩擦膜 Fig． 4 SEM images of the worn surfaces: ( a) 2 N，200 r·min － 1 ; ( b) 3 N，300 r·min － 1 ; ( c) 4 N，400 r·min － 1 ; ( d) 5 N，500 r·min － 1 ; ( e) 6 N，600 r·min － 1 ; ( f) wear debris; ( g) tribofilm 图 5 涂层磨损面． ( a) 涂层磨损面; ( b) 白色摩擦膜; ( c) 灰色摩擦膜 Fig． 5 Wearing surface: ( a) wearing coating; ( b) white tribofilm; ( c) grey tribofilm 涂层的磨损受载荷和转速的影响，在不同的载荷 和转速条件下主导磨损的因素不同，因此三维磨损图 各区域沿转速轴和载荷轴方向的增大幅度也不同． 如 图 6( b) 区域 1、2、3、4、9、11、12 和 13 所示，这些区域 在转速轴的方向增幅较大，在磨损时主导因素是转 速［14--15］． 其中 1、2、3 和 4 区域是随转速的增大磨损率 · 0261 ·
刘建金等：超音速火焰喷涂WC-12C0涂层的滑动磨损特性 1621 12(a 一载荷2N b 载荷3N 10 2 10 6 -载荷4 -载荷5N ◆截荷6N 200300400500 100200300400500600700 转动速度(·min) 600 转速/r·min 图6涂层磨损率与转速和载荷关系·()磨损率转速关系：(b)磨速率、载荷和转速三维关系 Fig.6 Relationship between wear rate and rotational speed (a)as well as relationship among wear rate,normal load and rotating speed (b) 降低，主要是涂层表面形成摩擦膜及对磨球的偏移量 图7(b)为涂层磨损率-载荷关系图.其中以滑动 减小；区域9、11、12和13随转速的增大磨损率增大， 速度为300rmim(0.1884ms)为例，载荷为2~6 这是因为摩擦膜发生剥落，对磨球与涂层直接接触，磨 N条件拟合得到 损增加.当载荷和转速如6、7、8、10、14和16区域所示 w=0.763P.s1 (3) 时，影响涂层磨损的主要因素是载荷：在区域5和15 由式可知WC一12Co系涂层在低载、非润滑、室温和 时，涂层磨损率随载荷和转速的变化改变很小.3N时 球盘式摩擦磨损实验时磨损率一载荷关系式为幂函 涂层的磨损率随载荷的增加而迅速增大，可能因为载 数关系，指数为1.51，系数为0.763，当载荷、测试方 荷增大涂层开始发生剥落：转速为400r·min时涂层 式和涂层喷涂工艺不同时其方程形式相同，仅指数 的磨损率也发生明显改变，由原来随转速增大而减小 不同6-一图 的趋势变成随转速增加而增大的趋势.区域5和9中 2.3.4摩擦系数 磨损率最低，可知此涂层较适用于转速300~500r· 摩擦系数的影响因素较为复杂，主要有材料的性 min和载荷2~3N. 质、载荷、滑动速度、温度、表面特性等3.实验以转 2.3.3磨损率-载荷/滑动速度回归方程 速和载荷为变量对摩擦系数进行分析 图7(a)为磨损率-滑动速度的非线性关系图.以 图8(a)为涂层摩擦磨损时摩擦系数的变化规律. 3N载荷为例，滑动速度为0.13~0.38m·s的磨损率 磨损过程分为磨合阶段和稳态磨损阶段.磨合阶 经过非线性拟合得到磨损率一滑动速度非线性方程 段摩擦系数较小，波动较大，随着时间延长，摩擦系数 式为 增大，最终达到稳态磨损；稳态磨损时摩擦系数也在一 0=164.82-84m+14.4. (2) 定范围内上下波动，载荷越小稳态磨损时摩擦系数波 式中：v为滑动速度，ms1.由方程可知随摩擦速度的 动幅度越大，达到稳态磨损所需时间也越长.摩擦刚 增大涂层的磨损率先减小后增大.低载荷和低转速条 开始时，主要是对磨球与涂层表面的污染物、微凸体相 件下，当摩擦条件、对磨方式和对磨材料不同时得到的 接触，接触面积很小，所以刚开始的摩擦系数也较小： 磨损率一滑动速度的方程结构相同，为一元二次函数， 随着磨损的进行，硬质颗粒周围的黏结相被磨削掉硬 但是系数不相同，如文献6]所示 质颗粒逐渐“裸露”出来，表面粗糙度增加，阻碍对磨 7) 12b) 11 10 6 9 8 6 4 3 2 1 0.2 0.3 0.4 234567 滑动速度m·s少 载荷N 图7磨损率与滑动速度(a)和载荷(b)非线性拟合关系 Fig.7 Fitting equations of wear rate vs.sliding speed (a)and wear rate vs.normal load (b)
刘建金等: 超音速火焰喷涂 WC--12Co 涂层的滑动磨损特性 图 6 涂层磨损率与转速和载荷关系 . ( a) 磨损率转速关系; ( b) 磨速率、载荷和转速三维关系 Fig． 6 Ｒelationship between wear rate and rotational speed ( a) as well as relationship among wear rate，normal load and rotating speed ( b) 降低，主要是涂层表面形成摩擦膜及对磨球的偏移量 减小; 区域 9、11、12 和 13 随转速的增大磨损率增大， 这是因为摩擦膜发生剥落，对磨球与涂层直接接触，磨 损增加． 当载荷和转速如 6、7、8、10、14 和 16 区域所示 时，影响涂层磨损的主要因素是载荷; 在区域 5 和 15 时，涂层磨损率随载荷和转速的变化改变很小． 3 N 时 涂层的磨损率随载荷的增加而迅速增大，可能因为载 荷增大涂层开始发生剥落; 转速为 400 r·min － 1时涂层 的磨损率也发生明显改变，由原来随转速增大而减小 的趋势变成随转速增加而增大的趋势． 区域 5 和 9 中 磨损率最低，可知此涂层较适用于转速 300 ～ 500 r· min － 1和载荷 2 ～ 3 N． 2. 3. 3 磨损率--载荷/滑动速度回归方程 图 7( a) 为磨损率--滑动速度的非线性关系图． 以 3 N 载荷为例，滑动速度为 0. 13 ～ 0. 38 m·s － 1的磨损率 经过非线性拟合得到磨损率--滑动速度非线性方程 式为 w = 164. 8v 2 － 84v + 14. 4． ( 2) 图 7 磨损率与滑动速度( a) 和载荷( b) 非线性拟合关系 Fig． 7 Fitting equations of wear rate vs． sliding speed ( a) and wear rate vs． normal load ( b) 式中: v 为滑动速度，m·s － 1 ． 由方程可知随摩擦速度的 增大涂层的磨损率先减小后增大． 低载荷和低转速条 件下，当摩擦条件、对磨方式和对磨材料不同时得到的 磨损率--滑动速度的方程结构相同，为一元二次函数， 但是系数不相同，如文献［16］所示． 图 7( b) 为涂层磨损率--载荷关系图． 其中以滑动 速度为 300 r·min － 1 ( 0. 1884 m·s － 1 ) 为例，载荷为 2 ～ 6 N 条件拟合得到 w = 0. 763P1. 51 ． ( 3) 由式可知 WC--12Co 系涂层在低载、非润滑、室温和 球盘式摩擦磨损实验时磨损率--载荷关系式为幂函 数关系，指数为 1. 51，系数为 0. 763，当载荷、测试方 式和涂层喷涂工艺不同时其方程形式相同，仅指数 不同［16--18］． 2. 3. 4 摩擦系数 摩擦系数的影响因素较为复杂，主要有材料的性 质、载荷、滑动速度、温度、表面特性等［13，18］． 实验以转 速和载荷为变量对摩擦系数进行分析． 图 8( a) 为涂层摩擦磨损时摩擦系数的变化规律． 磨损过程分为磨合阶段和稳态磨损阶段［19］． 磨合阶 段摩擦系数较小，波动较大，随着时间延长，摩擦系数 增大，最终达到稳态磨损; 稳态磨损时摩擦系数也在一 定范围内上下波动，载荷越小稳态磨损时摩擦系数波 动幅度越大，达到稳态磨损所需时间也越长． 摩擦刚 开始时，主要是对磨球与涂层表面的污染物、微凸体相 接触，接触面积很小，所以刚开始的摩擦系数也较小; 随着磨损的进行，硬质颗粒周围的黏结相被磨削掉硬 质颗粒逐渐“裸露”出来，表面粗糙度增加，阻碍对磨 · 1261 ·
·1622· 工程科学学报，第37卷，第12期 a 0.70b wt6N 0.65 0.60 W标4N 0.55 1w3N 0.50 0.45 0.40 0.35 10 039020300400.50060700 时间/min 转速r·min 图8摩擦系数与时间(a)和转速(b)的关系 Fig.8 Relations of friction coefficient with time (a)and rotating speed (b) 球的相对运动，摩擦系数增大，随后磨损过程中会形成 2~3N.磨损率-滑动速度关系式满足一元二次函数， 图4(d)中摩擦膜，摩擦膜的存在使得摩擦系数不会一 3N时磨损率一滑动速度非线性拟合方程为w= 直增大.摩擦膜是不断破坏、形成的，最终摩擦磨损在 164.8m2-84m+14.4,磨损率-载荷关系式满足指数函 摩擦膜的形成、破坏过程中达到一个稳定值，摩擦系数 数，其中滑动速度为300r·min1(0.1884m·s)时磨 趋于稳定 损率-载荷非线性拟合方程为0=0.763P51 稳态磨损时摩擦系数上下波动，原因是摩擦时表 (3)涂层磨损率随转速的增大呈先减小后增大趋 面磨损坑、微凸体及凸起摩擦膜（如图4(）所示)将 势，随载荷的增大呈增大趋势.磨损过程中形成的磨 阻碍对磨球的相对运动使得摩擦力增大，摩擦系数增 屑可形成摩擦膜，磨损过程中先是磨合阶段最后到达 大，当微凸体脱落或涂层发生剥落时摩擦力也突然减 稳态阶段，摩擦系数在磨合阶段变化较大，最终达到一 小，摩擦系数也减小，如此反复形成了摩擦系数的上下 个波动较小的稳定值，载荷越大磨合阶段越短，而且载 波动.载荷较小时接触区域可能弹起来使摩擦副发生 荷越大稳态值时波动越小.摩擦系数随转速的增大呈 分离，使得实际法向载荷变小，摩擦系数也减小所以其 先增大后减小的趋势. 波动比较大 图8(b)是载荷、转速为变量时所测得的涂层摩擦 系数，可知试样随转速增加摩擦系数先增大后减小 参考文献 摩擦副的相互作用使得接触面的粗糙度增大，摩擦系 Pearce N,Summerscales J.The compressibility of a reinforcement 数也增大.干滑动摩擦磨损实验中外力克服摩擦力做 fabric.Compos Manuf,1995,6(1):15 的功基本上都转化为热能，由于真实接触面积很少，因 Li B Y,Dong X L,Liu Y,et al.Microstructure and formation 此在真实接触区域产生大量热能，当滑动速度达到一 mechanism of nanostructured WC-12Co coatings deposited by 定值后这些区域产生的热量将来不及扩散出去，使得 plasma flame spray.J Mater Eng,2006,4(6):40 该区域的温度升高，材料的剪切强度降低圆，对磨球 (李博宇，董星龙，刘圆圆，等.等离子喷涂法纳米结构WC一 12C。涂层的微结构与形成机理的研究.材料工程，2006,4 运动时阻力减小即摩擦力减小，摩擦系数也减少：而且 (6):40) 滑动速度较大时涂层表面会形成黑色的摩擦膜，摩擦 B] Mindivan H.Wear behavior of plasma and HVOF sprayed WC- 力减小 12Co+6%ETFE coatings on AA2024-T6 aluminum alloy.Surf 3结论 Coat Technol,2010,204(12):1870 4 Espinosa-FemandezL,Borrella A,Salvadora M D,et al.Sliding (1)采用超音速火焰喷涂法制备WC-12Co涂层， wear behavior of WC-Co-CraC2-VC composites fabricated by 涂层中硬质相分布均匀，涂层表面硬度HV0为 conventional and non-conventional techniques.Wear,2013,307 1654.2,截面硬度HV0为1368沿厚度方向分布均匀， (1):60 涂层中出现W,C和W相，与基体结合良好. 5]Li C J.Study of WC-Co coatings sprayed by high velocity flame. J Xi'an Jiaotong Univ,1994,28(4)39 (2)涂层耐磨性好，磨损率为104~10-15m3N1 (李长久.超音速火焰喷涂WCC0涂层结构的研究.西安交 ·m数量级，磨损条件为200~300r·min时磨损的 通大学学报，1994,28(4)：39) 主导因素是转速，400r·min和3N时磨损率发生较明 6 Zhao L,Maurer M,Fischer F,et al.Influence of spray parame- 显的改变，涂层最适用的环境为300~500r·min和 ters on the particle in-flight properties and the properties of HVOF
工程科学学报，第 37 卷，第 12 期 图 8 摩擦系数与时间( a) 和转速( b) 的关系 Fig． 8 Ｒelations of friction coefficient with time ( a) and rotating speed ( b) 球的相对运动，摩擦系数增大，随后磨损过程中会形成 图 4( d) 中摩擦膜，摩擦膜的存在使得摩擦系数不会一 直增大． 摩擦膜是不断破坏、形成的，最终摩擦磨损在 摩擦膜的形成、破坏过程中达到一个稳定值，摩擦系数 趋于稳定． 稳态磨损时摩擦系数上下波动，原因是摩擦时表 面磨损坑、微凸体及凸起摩擦膜( 如图 4( d) 所示) 将 阻碍对磨球的相对运动使得摩擦力增大，摩擦系数增 大，当微凸体脱落或涂层发生剥落时摩擦力也突然减 小，摩擦系数也减小，如此反复形成了摩擦系数的上下 波动． 载荷较小时接触区域可能弹起来使摩擦副发生 分离，使得实际法向载荷变小，摩擦系数也减小所以其 波动比较大． 图 8( b) 是载荷、转速为变量时所测得的涂层摩擦 系数，可知试样随转速增加摩擦系数先增大后减小． 摩擦副的相互作用使得接触面的粗糙度增大，摩擦系 数也增大． 干滑动摩擦磨损实验中外力克服摩擦力做 的功基本上都转化为热能，由于真实接触面积很少，因 此在真实接触区域产生大量热能，当滑动速度达到一 定值后这些区域产生的热量将来不及扩散出去，使得 该区域的温度升高，材料的剪切强度降低［13］，对磨球 运动时阻力减小即摩擦力减小，摩擦系数也减少; 而且 滑动速度较大时涂层表面会形成黑色的摩擦膜，摩擦 力减小． 3 结论 ( 1) 采用超音速火焰喷涂法制备 WC--12Co 涂层， 涂层 中 硬 质 相 分 布 均 匀，涂 层 表 面 硬 度 HV50 为 1654. 2，截面硬度 HV50为 1368 沿厚度方向分布均匀， 涂层中出现 W2C 和 W 相，与基体结合良好． ( 2) 涂层耐磨性好，磨损率为10 － 14 ～ 10 － 13 m3 ·N － 1 ·m － 1数量级，磨损条件为 200 ～ 300 r·min － 1 时磨损的 主导因素是转速，400 r·min － 1和3 N 时磨损率发生较明 显的改变，涂层最适用的环境为 300 ～ 500 r·min － 1 和 2 ～ 3 N． 磨损率--滑动速度关系式满足一元二次函数， 3 N 时 磨 损 率--滑动速度非线性拟合方程为 w = 164. 8v 2 － 84v + 14. 4，磨损率--载荷关系式满足指数函 数，其中滑动速度为 300 r·min － 1 ( 0. 1884 m·s － 1 ) 时磨 损率--载荷非线性拟合方程为 w = 0. 763P1. 51 ． ( 3) 涂层磨损率随转速的增大呈先减小后增大趋 势，随载荷的增大呈增大趋势． 磨损过程中形成的磨 屑可形成摩擦膜，磨损过程中先是磨合阶段最后到达 稳态阶段，摩擦系数在磨合阶段变化较大，最终达到一 个波动较小的稳定值，载荷越大磨合阶段越短，而且载 荷越大稳态值时波动越小． 摩擦系数随转速的增大呈 先增大后减小的趋势． 参 考 文 献 ［1］ Pearce N，Summerscales J． The compressibility of a reinforcement fabric． Compos Manuf，1995，6( 1) : 15 ［2］ Li B Y，Dong X L，Liu Y，et al． Microstructure and formation mechanism of nanostructured WC--12Co coatings deposited by plasma flame spray． J Mater Eng，2006，4( 6) : 40 ( 李博宇，董星龙，刘圆圆，等． 等离子喷涂法纳米结构 WC-- 12Co 涂层的微结构与形成机理的研究． 材料工程，2006，4 ( 6) : 40) ［3］ Mindivan H． Wear behavior of plasma and HVOF sprayed WC-- 12Co + 6% ETFE coatings on AA2024--T6 aluminum alloy． Surf Coat Technol，2010，204( 12) : 1870 ［4］ Espinosa-Fernández L，Borrella A，Salvadora M D，et al． Sliding wear behavior of WC--Co--Cr3C2 --VC composites fabricated by conventional and non-conventional techniques． Wear，2013，307 ( 1) : 60 ［5］ Li C J． Study of WC--Co coatings sprayed by high velocity flame． J Xi’an Jiaotong Univ，1994，28( 4) : 39 ( 李长久． 超音速火焰喷涂 WC--Co 涂层结构的研究． 西安交 通大学学报，1994，28( 4) : 39) ［6］ Zhao L，Maurer M，Fischer F，et al． Influence of spray parameters on the particle in-flight properties and the properties of HVOF · 2261 ·
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