滑靴耐磨減摩涂層制備

蘇靜雨，蔡洪能，魏志遠，劉陽

（西安交通大學 金屬材料國家重點實驗室，西安 710049）

J.Cinnamon 等[1]指出滑靴在正常運行過程中，其接觸表面瞬間可以產生大量的摩擦熱，導致材料表面軟化。夏剛等[2—9]也指出這種摩擦熱會加劇材料表面的塑性變形，滑靴和滑軌的摩擦也會由磨粒磨損變為粘著磨損。王超等[10—11]指出在這個過程中會發生嚴重的“鑿削”現象，對滑軌產生極大的破壞，從而影響滑軌試驗的穩定性和精度。而在滑靴和滑軌的實際運動過程中，由于軌道上面凸凹不平，存在著粗糙度，滑塊硬度又相對來說很高，為了避免高速運動下二者的碰撞、鑿削和撕拉，既要解決滑靴的耐磨問題又要解決滑靴的減摩問題，因此解決高速試驗帶來的滑靴、軌道減摩耐磨問題成了迫切的需要。

D.A.Stewart 等[12—14]指出使用超音速火焰噴涂方法制得的涂層具有更好的結合強度和耐磨性能。文中所用的涂層是使用超音速火焰噴涂技術制得的，結合孫永興等[15—18]的研究，在NiCr-Cr3C2耐磨涂層的基礎上加入減摩物質Ni 包MoS2，這樣得到的涂層既能夠耐磨又能夠減摩，使滑靴在工作過程中受涂層的保護而達到摩擦因數降低、耐磨程度提高、溫升緩慢的效果。

1 試驗

1.1 基體材料

本次試驗采用的基體材料為滑靴材料 Vasco Max300 鋼，試樣制成Φ44 mm×5 mm 的圓盤，厚度為5 mm。試樣在噴涂之前進行預處理，首先利用超聲發生器+體積分數為3%的稀鹽酸進行表面超聲酸洗，清洗時間為10 min，主要用于除去零件表面的銹蝕產物和氧化膜等。將酸洗過的噴涂基體試樣用丙酮清洗以去除工件表面油污。最后對噴涂基體進行噴砂處理，噴砂壓力為0.3 MPa，噴砂時間10 min。

1.2 噴涂粉末

本試驗選用北京聯合涂層公司的Cr3C2-25(Ni20Cr)噴涂粉末。為減少噴涂過程中MoS2的燒損，減摩成分選用Ni-25MoS2，如表1 所示。

表1 噴涂粉末材料Tab.1 Spraying powder materials

Woka7302 通過團聚燒結和等離子致密化制備，該粉末表面鎳鉻層能有效減少噴涂過程中的失碳和氧化，抗高溫、抗磨損性能優越，沉積效率高，工作溫度可達870℃。Ni-25MoS2粉末形貌呈現扁平狀，由于該粉末是納米粉團聚得到，因此粉末孔隙率較高，形狀不規則。

由Woka7302 分別與質量分數為0%,8%,16%,24%,32%的LF235 經過12 h 機械混粉方式混合得到4 種復合噴涂粉末。采用西安交通大學自主研制的CH-2000 超音速火焰設備進行噴涂，噴涂前對基體進行150℃的預熱。噴涂工藝參數如表2 所示。

表2 超音速火焰噴涂Cr3C2-25NiCr+Ni 包MoS2試驗方案Tab.2 Cr3C2-25NiCr+Ni coated MoS2test scheme by supersonic flame spraying

混合是指物料在外力、重力及機械力等作用下發生運動速度和方向的改變，使各組分顆粒得以均勻分布的操作過程，這種過程又稱為均化過程。在本次試驗中采用V 型高效混粉機進行混粉從而達到粉末混合均勻的效果。

2 涂層表征與性能測試

2.1 維氏顯微硬度

涂層斷面的顯微維氏硬度采用顯微維氏硬度計進行測量，試驗力為300 g（GF），保荷時間為15 s。由圖2 可知，隨著MoS2含量的增加，Cr3C2-25NiCr涂層的顯微硬度在逐漸下降，其下降幅度分別為3.1%,4.0%,5.5%,8.2%。可知Ni 包MoS2的含量逐漸增加時，涂層的顯微硬度呈下降趨勢，因為加入的固體減摩成分MoS2比較軟，所以當含量增加的時候硬度會降低。

圖1 不同Ni 包MoS2含量Cr3C2-25NiCr 涂層維氏顯微硬度Fig.1 Vickers microhardness of Cr3C2-25NiCr coating with different contents of MoS2in Ni package

2.2 結合強度

對5 組不同Ni 包MoS2含量的Cr3C2-25NiCr 涂層進行了涂層結合強度測試，涂層基體材料為Max300 滑靴用鋼。每組試樣測試5 次，取5 次結合強度的平均值為最終的涂層結合強度，采用熱噴涂專用的FM-1000 航空膠進行粘接拉伸對偶件，然后裝在自制的夾具中，放置在180℃的烘箱里，保溫4 h，取出后自然冷卻，立即在電子拉伸機上進行試驗，拉伸速度為1 mm/min。對5 組試樣的結合強度進行了計算分析，結果如圖2 所示。

由圖2 可知，加入了Ni 包MoS2的Cr3C2-25NiCr涂層的結合強度均發生了一定程度的下降，但是，隨著Ni 包MoS2含量的增加，涂層的結合強度呈現先上升后減小的趨勢，其中含24% Ni 包MoS2時涂層的結合強度最大，這可能與涂層中Ni 金屬含量的增加、涂層沉積效果，以及產生缺陷有關。

2.3 Cr3C2-25NiCr+Ni 包MoS2涂層摩擦磨損性能

本次銷盤摩擦磨損試驗選用的試驗儀器是西安交通大學材料學院鑄造所MMG-500 高溫真空三體磨損試驗機，選用的試驗力為 60 N，主軸轉速為400 r/min，試驗時間為30 min，試驗溫度為25,200,400,600℃。選取71Mn 鋼作為銷子材料，其洛氏硬度在30 左右，與Max300 鋼基體表面制得不同的涂層對偶盤進行摩擦磨損試驗，分別測量其穩定摩擦因數和銷盤磨損失重。

圖2 不同Ni 包MoS2含量Cr3C2-25NiCr 涂層結合強度Fig.2 Bond strength of Cr3C2-25NiCr coating with different contents of MoS2in Ni package

圖3 不同Ni 包MoS2含量Cr3C2-25NiCr 涂層的摩擦因數變化情況Fig.3 Friction coefficient change of Cr3C2-25NiCr coating with different contents of MoS2in Ni package

圖3 所示為銷盤噴涂不同Ni 包MoS2含量Cr3C2-25NiCr 涂層在不同溫度下的摩擦因數，由圖3a 可知，在室溫25℃時，隨著涂層加入Ni 包MoS2含量的增加，銷盤穩定摩擦因數在不斷降低，這與涂層中減摩成分MoS2含量增加有關，其中加入32% Ni 包MoS2涂層的摩擦因數僅為0.4 左右；當溫度升高到200℃時，可以得到同樣的變化趨勢，說明呈片狀分布MoS2在此溫度范圍內仍然能夠起到減摩的作用，如圖3b所示；而當摩擦磨損溫度上升到400℃，并不呈現此規律，加入32% Ni 包MoS2復合涂層的摩擦因數值最大，16% Ni 包MoS2復合涂層的摩擦因數值最小。這是因為在400℃時，部分MoS2可能發生了分解生成MoO3，相關文獻資料表明，MoO3有增摩作用，所以出現涂層中Ni 包MoS2的質量分數為32%時，摩擦因數反而最大，而Ni 包MoS2的質量分數為16%時，涂層可能未發生明顯的分解，MoS2仍然能夠起到減摩的效果，故摩擦因數最小，如圖3c 所示。同時，對Ni 包MoS2的質量分數為24%的涂層進行了600℃的摩擦磨損試驗，發現摩擦因數隨溫度升高持續走高，這可能與銷的材質可能有關，隨著溫度的升高，銷發生了軟化，磨損形式磨粒磨損轉變為粘著磨損，因此摩擦因數隨溫度升高而升高，如圖3d 所示。

3 結論

采用添加Ni 包MoS2粉末制備了Ni-25MoS2/NiCr-Cr3C2減摩耐磨涂層，并對不同含量Ni 包MoS2的涂層進行性能測量，得到了以下結論。

1）隨著Cr3C2-25NiCr 涂層中Ni 包MoS2含量的增加，涂層中的維氏顯微硬度在逐漸下降，其中當Ni 包MoS2的質量分數為24%時，涂層的顯微硬度最低；涂層的結合強度先升高后下降，其中當Ni 包MoS2的質量分數為24%時，涂層的結合強度為67 MPa。

2）在室溫25℃和200℃時，隨著涂層加入Ni包MoS2含量的增加，銷盤穩定摩擦因數在不斷降低，其中加入32% Ni 包MoS2涂層的摩擦因數僅為0.4 左右。說明呈片狀分布MoS2在此溫度范圍內能夠起到減摩的作用，

3）當摩擦磨損溫度上升到400℃時，加入32% Ni包MoS2復合涂層的摩擦因數值最大，16% Ni 包MoS2復合涂層的摩擦因數值最小。當摩擦磨損試驗溫度為600℃時，磨損形式磨粒磨損轉變為粘著磨損，摩擦因數隨溫度升高持續走高。

4）綜合涂層的各項性能表征可得出，選擇Ni包MoS2的質量分數為16%～24%之間時，涂層的綜合效果最好。