鋁合金噴涂Ni60涂層的耐磨性研究

韓付會(huì)， 昌 霞， 張小彬， 黃偉九

（重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400054）

0 前言

鋁合金具有比重小、比強(qiáng)度高、容易加工、價(jià)格低廉、耐蝕性好、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、包裝、建筑、電子、兵器等領(lǐng)域［1-2］。但耐磨性差、摩擦因數(shù)大、容易拉傷且難以潤滑等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了鋁合金零件作為摩擦副運(yùn)動(dòng)零部件的應(yīng)用［3-4］。因此，研究并開發(fā)鋁合金的表面強(qiáng)化技術(shù)，提高其顯微硬度和耐磨性，對(duì)擴(kuò)大鋁合金的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)運(yùn)載工具的進(jìn)一步輕量化，具有十分重要的意義［5-6］。目前常見的鋁合金表面處理工藝有微弧氧化、陽極化、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理、激光、氣相沉積等。陽極化和化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理在一定程度上提高了鋁合金的耐蝕性，但涂層薄且顯微硬度低。電鍍雖然可以在鋁合金上制備耐磨、耐蝕的涂層，但會(huì)導(dǎo)致氫脆，從而降低基體的機(jī)械性能。而熱噴涂由于可以快速地在基體上制備耐磨、耐蝕等功能涂層而受到廣泛關(guān)注。

劉慎中等［7］在鋁合金表面等離子噴涂一層金屬鎳涂層，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的使用壽命。研究結(jié)果表明：在噴涂層與基體間形成了一層氧化膜隔離層，進(jìn)而影響了涂層與基體的結(jié)合。Ji G等［8］則利用熱噴涂技術(shù)在鋁合金表面獲得了含有納米晶的Fe-Al涂層。而本文所使用的氧-乙炔火焰噴涂技術(shù)是利用燃?xì)猓ㄒ胰玻┡c助燃?xì)猓ㄑ鯕猓┤紵a(chǎn)生的熱量加熱絲狀或粉末態(tài)噴涂材料，使其達(dá)到熔融或軟化狀態(tài)，借助火焰流動(dòng)或噴射加速氣體，將噴涂材料噴射到經(jīng)預(yù)處理的基體表面，形成涂層的工藝方法。火焰噴涂是一種常用的噴涂方法，它具有價(jià)廉、節(jié)能、高效、靈活、方便等特點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛［9-11］。

火焰噴涂的生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)現(xiàn)場所使用的設(shè)備都比較簡單，工藝方法靈活。尤其是在中小型零件的修復(fù)性噴涂中，對(duì)現(xiàn)場的操作環(huán)境沒有太多專門的要求，既可作為常規(guī)修復(fù)，又可用于現(xiàn)場搶修，可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

本文通過氧-乙炔火焰噴涂技術(shù)，在ZL109鋁合金上制備Ni60涂層。通過顯微硬度測試、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)、形貌觀察等來研究涂層的耐磨性及磨損機(jī)制，從而加深對(duì)鎳基涂層的認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步提高其在行業(yè)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

基體材料為ZL109鋁合金，尺寸為30mm×20 mm×5mm。實(shí)驗(yàn)前，試樣經(jīng)過除油、除銹、噴砂粗化等處理。噴涂材料為北京礦冶研究總院生產(chǎn)的Ni60自熔性合金粉末，使用前在120℃的烘箱中烘干3h。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在完成凈化、粗化處理后，盡可能地在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行噴涂，以防止氧化和灰塵的污染。移動(dòng)噴砂粗化后的試樣，避免用手直接接觸已粗化的表面，應(yīng)佩戴清潔的不脫絨的手套。

實(shí)驗(yàn)采用QT-7H／E2000型火焰粉末噴槍進(jìn)行噴涂。該噴槍是以氧-乙炔火焰為熱源，以各種自熔性合金粉末及各種專用噴涂粉末為材料的專用噴涂工具，噴槍的氧-乙炔氣體混合方式和輸送合金粉末均是以射吸原理形成的。噴涂參數(shù)為：氧氣壓力0.4～0.6MPa，乙炔壓力0.05～0.07MPa，空氣壓力0.2MPa，噴粉距離200mm，噴涂角60°～90°，噴涂前預(yù)熱溫度60～100℃。噴涂鎳基粉末時(shí)，試樣溫度一般控制在150℃以下，噴槍均勻連續(xù)移動(dòng)，可以噴噴停停，直至噴到所需尺寸。本實(shí)驗(yàn)的涂層厚度約為300μm。由于鎳基涂層的顯微硬度較高及后續(xù)的加工量很小，采用磨削的方法把實(shí)驗(yàn)工作面打磨平整即可。另外，噴涂層形成的多孔組織具有一定的儲(chǔ)油潤滑性能，可以提高材料的耐磨性。

1.3 測試分析

采用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)測定涂層的顯微硬度，載荷1N，加載時(shí)間15s，測量3次取平均值。室溫干滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)在HSR-2M型高速往復(fù)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用球盤接觸方式，對(duì)偶件為直徑5mm的GCr15軸承鋼球（洛氏硬度61～63），測試載荷30N，磨損時(shí)間5min。摩擦因數(shù)由實(shí)驗(yàn)儀器給出，材料的磨損量由精度為0.1mg的電子天平稱量得出。采用JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察磨損形貌并分析磨損機(jī)制。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微硬度

圖1是距涂層表面不同距離處的顯微硬度值。涂層的最大顯微硬度達(dá)到了7 670MPa，平均值為7 170MPa，約為基體的4.8倍，起到了表面強(qiáng)化的作用。Ni60自熔性合金中的碳化物、硼化物等硬質(zhì)相本身的顯微硬度就很高，加上彌散強(qiáng)化作用，使得涂層具有很高的顯微硬度，也提高了涂層的耐磨性。

圖1 Ni60涂層的顯微硬度分布曲線

2.2 耐磨性

涂層的磨損量與摩擦因數(shù)有關(guān)［12］。摩擦因數(shù)越高，跳動(dòng)越大，則往往磨損量就越大，耐磨性就越差。圖2為摩擦因數(shù)對(duì)比圖。由圖2可知：基體的摩擦因數(shù)較大（約為0.55），而且跳動(dòng)很大；涂層的摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.28左右，且跳動(dòng)很小，呈現(xiàn)出良好的減摩性能及平穩(wěn)較低的摩擦因數(shù)。

圖2 摩擦因數(shù)對(duì)比圖

圖3為磨損量的對(duì)比圖。由圖3可知：基體的磨損量為12.86mg；而涂層的磨損量為4.26mg，大約是基體的1／3。ZL109鋁合金基體經(jīng)過噴涂后，其耐磨性得到很大的提高。一方面，Ni60自熔性合金中的鎳基固溶體本身具有很好的強(qiáng)韌性，不易產(chǎn)生裂紋，耐磨損能力較強(qiáng)；另一方面，由于涂層中的碳化物、硼化物等硬質(zhì)相提高了涂層的耐磨性，而且可以起到彌散強(qiáng)化作用，使得涂層表現(xiàn)出很好的耐磨性。

圖3 磨損量對(duì)比圖

2.3 磨損機(jī)制

圖4（a）為涂層磨損前的表面形貌，可見涂層呈粒片狀的積層。由于高溫粒子和已凝固粒子的黏附，Ni60粉末粒子在熱噴涂過程中以一定的速率沉積時(shí)，粉末會(huì)自發(fā)形成團(tuán)聚體，致使涂層表面呈微粒堆積狀，存在一些空隙和凹坑。圖4（b）和4（c）為涂層磨損的低倍宏觀SEM照片，可以發(fā)現(xiàn)磨痕明顯，有大量疲勞磨損面。圖4（d）為涂層磨損的高倍微觀SEM照片，可見涂層呈現(xiàn)出明顯的疲勞磨損特征。由于有一定載荷的壓力周期性地作用在涂層表面，涂層表面會(huì)產(chǎn)生疲勞。一方面，使得涂層中原有的微裂紋擴(kuò)展；另一方面，在氣孔、夾雜等缺陷處極易產(chǎn)生大量的新裂紋。當(dāng)這些裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，就會(huì)使得裂紋包圍區(qū)域的微粒脫離，形成磨粒。

圖4 磨損形貌

3 結(jié)論

涂層沿層深的顯微硬度是基體的4.8倍左右，達(dá)到了表面強(qiáng)化的目的；涂層呈現(xiàn)出良好的耐磨性及平穩(wěn)較低的摩擦因數(shù)；涂層的磨損機(jī)制以疲勞磨損為主。

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