在轻微不同的钢基体温度下用等离子喷涂的铸铁涂层所表现的磨粒磨损性能2

1、在轻微不同的钢基体温度下用等离子喷涂的铸铁涂层所表现的磨粒磨损性能Ya-zhe Xing1), Qiu-lan Wei2), Chao-ping Jiang1), and Jian-min Hao1)摘要：三种铸铁涂料是可以在空气中进行等离子喷涂的。在喷涂中，轻微不同的温度分别被控制在平均50，180,2400C。磨料磨损实验是在涂料处于干燥摩擦条件下进行的。结果发现磨料磨损的耐磨性随着温度的增加而增强。SEM观察显示在磨损试验中涂料的磨损损耗主要是由于基板的剥落。另外，涂料耐磨性的提高主要归功于在基板温度提高时氧化物的形成及机械性能的增强。关键词:铸铁、涂料、等离子喷涂;磨损;粘结1.简介

2、最近，很大的兴趣都集中在研究铝合金发动机的缸孔的防护涂料上1 - 3。作为一种新型表面改性技术，在适用在这些涂料上等离子喷涂已经是一个非常好的应用由于其良好的通用性，可靠性和成本的经济性。然而，传统的喷雾常规产生的等离子喷涂薄层存在着有限的内部结果的粘合4 - 6。这种显微结构的特性决定了涂料性能，包括机械性能6 - 7，导热性能8，腐蚀性能9,导电性10。之前有意义的工作10-13说明涂料基板的连接质量在粒子影响衬底表面之前主要是受粒子温度和衬底温度的影响。 在这项工作中，离子喷涂在低碳钢基体表面的三种铸铁涂料是要预热到不同的温度。研究说明衬底温度对磨料磨损性能的影响是等离子喷涂涂层的摩擦表

3、现。2.实验过程2.1涂料的准备 商业用的铸铁粉被用做起始喷涂粉末。表1展示了这种粉的成分。这种粉显示球面形状的大小的范围从20到75m。三种类型的铸铁涂料沉积在长度30毫米直径6毫米的低碳钢棒的横截面上，使用一种商业的粒子喷涂系统通过控制喷涂距离和喷涂方法在不同的温度下预热。氩气作为主要的气体，氮气作为辅助气体。在喷涂的过程中，氩气和氮气分别控制在0.7和0.68MPa。主要气体的流动设置为60L/h，辅助气体的设定为6L/h。氩气用来作为一种携带粉的气体。在功率为22千瓦(550 A/ 40V)下等离子喷射涂料得到沉淀。每20个通过等离子喷涂技术的涂料获得600-800微米候的涂层。微观红

4、外线测温仪用于探测衬底表面的温度。喷涂的距离控制在150毫米，120毫米，和100毫米。三种涂料分别记为C1,C2,C3。 三种涂层的沉积中，平均的衬底温度被控制在大约50，180，240摄氏度。此外，C1,C2,C3分别每一个，五个，十个通过后暂停一次。表1 粉末的化学成分（wt%）CBSiCrFe4.11.51.536.6均衡2.2磨损测试 喷洒后，涂上500-600微米厚的铸铁涂料的低碳钢标本通过线切割机机加工得到直径6毫米长度30毫米的涂销。室温滑动磨损实验在 pin-on-disc 机器（ML-10）上进行，它的原理图在图1中展示。在这项测试中，在干燥条件下涂销滑动在钢片（直径200

5、毫米）的水砂纸上（600粒子颗度）。磨损试验的三个应用负载为2，4，6N，转速是60 r / min。涂销沿着直径方向从边缘到中心移动每30秒完成一次。每完成一次，一个阿基米德曲线在砂纸上画出，然后换另一张未使用的砂纸上。对每一个样本，有10个被完成的砂纸。每次画完后，样本被清理，干燥和用分析天平测量。2.3 涂料特性描述 涂层的微观结构特征，断裂截面和磨损表面的涂料都是可以由配备能量色散x射线能谱(EDX)的扫描电子显微镜(SEM，II-XMU,TESCAN,Czech)观察的。EDX分析应用在抛光涂层表面上进行氧含量变化的检测。磨损表面明显的孔隙度的估计要使用图像分析技术。铸铁粉和涂料的阶

6、段特点是XRD。涂料硬度在维氏硬度计负载下1 N的加载时间15秒测量，垂直于沉淀表面方向的弹性模量通过 Knoop 压痕的方法测定14。Knoop 压痕使用钻石硬度计压头负载为1N加载时间为10s。涂层的断裂韧性是通过Vicker 压痕试验测定15 - 16。维氏压痕试验使用金刚石压头进行压进，负载10N加载时间30秒。3 结果与讨论3.1 涂料的磨损 图2显示涂料在不同负载测试下不同磨耗时间下不同的磨损量。涂层磨损量随着磨损时间和负载增加而增加。特别地，磨损量随着衬底温度的升高而降低。C3的耐磨性是最好的C1是最坏的。一般来说，涂层的磨损性能主要是由结构和力学性能决定的与润滑条件无关。从图3

7、的XRD模式来看，可以发现涂层的相组成没有发生变化。涂层主要是由（Fe，Cr）7C3，奥氏体,Fe3O4，FeO，和马氏体组成。从XRD模式很难检测到氧化物含量的细微差别。似乎，涂层的相组成并没有影响这三种涂料的磨损性能。事实上，在基质温度较高的条件下，喷雾距离短，铸铁粒子氧化严重，由于等离子喷射衬底表面的热影响和样本冷却条件下粒子合成的减少。因此，随着衬底温度的增加氧化阶段粒子数量增加。EDX分析结果表明在涂料中氧含量增加随着衬底温度的增加，如图4所示。这与以前工作的结果一致17。氧化物在涂料中作为固体润滑剂有利于提高耐磨性。图2 在（a）2N，（b）4N，（c）6N不同时间的磨损量图3XR

8、D的粉末涂料和首先喷涂粉末图4 涂层在不同温度下氧含量的变化为了研究等离子喷涂铸铁涂料的磨损机制，用扫描电镜观察涂料的磨损表面。图5显示在负载为6N的磨损表面涂层测试下的微观图。测试发现表面涂层磨损后存在大量的分层，细槽和孔隙。这里，孔洞是热喷涂固有的特征。所有这些磨损的表面特性说明分层和划痕应该是涂料磨耗量的原因。另一方面，在比较三种涂层的磨损表面显微图（图5a，5c，5d）之后发现磨损表面的凹槽之间没有明显的大小差异。值得注意的是涂料磨损表面的分层区域的减少随着沉积温度的增加可以被磨损表面的明显气孔变化证实。如图6所示，换句话说，大区域的分层发生在C1的磨损表面而小区域分层发生在C3的磨损

9、表面。这表明分层区域的差异主要导致涂层的磨损量的变化。图5磨损表面SEM显微图（a）C1局部放大为（b），（c）C2，（d）C3图6衬底不同温度下磨损表面的显气孔率的变化3.2 涂层的微观结构 图7显示的是涂料的断裂截面，清楚的显示在沉积期间板条内部的粘接是随着基质的平均温度的增加而加强。图7（a）显示的是在图层沉积温度为50摄氏度可以观察到由于存在明显的薄膜层板条的粘接并不好。当基质的平均温度达到240摄氏度时如图7（c），板条内部粘接有明显的增强。目前的研究结果表明高的基质温度有助于形成强粘接效果这是由于等离子喷涂金属涂料的化学效应。这符合现在的等离子喷涂的结论 11, 18-20。对于C

10、1，板条有大量的气孔和内部粘合相对较差导致高的孔隙度。高孔隙度对耐磨性产生不利的影响。因此，磨损试样测试在摩擦力的作用下涂层容易从样本表面中分离。相反，由于沉积温度较高相对的板条内部粘接会增强，因此在磨损测试中涂层会很难被分离。然而，氧化是发生在熔化粒子的外部。图7 扫描电镜的断裂截面显微图断裂截面:(a)C1，(b)C2，(c)C33.3 涂料的机械性能 陶瓷材料的等离子喷涂的属性主要是由材料层间的结合决定的，因此涂料的机械性能也被研究，表2显示的是涂料横截面上的面内应力的性能，发现硬度和断裂韧性随着基质氧化层形成的增强而增加21-22。氧化层不利于板条的粘接，另一方面氧化层由于其自润滑性可

11、以降低摩擦。对于C3尽管严重的氧化不利于板条的粘接但由于自润滑可以对耐磨性有很大的帮助。这可以证实C3相对于C2,C1有更低的磨损损耗。表2 三种涂层的平面截面力学性能试样硬度HV弹性模量MPa断裂韧性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.结论 应用于在空气中的等离子喷涂的三种类型的铸铁涂料，通过改变喷涂距离和喷涂方式把衬底钢的温度分别控制在50,18

12、0,240摄氏度。样本衬底温度的增加会使得材料的耐磨性增强。扫描电镜观察结果表明，涂层的磨损主要是由于涂层从基质表面剥落的原因引起的。氧化和板条的粘接是对涂料的耐磨性有很大的作用，氧化物的产生和板条的粘接的加强有助于提升涂料的耐磨性，基质温度的增加和增强板条的粘接有助于平面断裂韧性的提高。另一方面，自润滑的氧化物的产生也有助于减小摩擦力。据此，在磨损测试中，涂料的耐磨性得到提高，分层得到抑制。引用1 S. Uozato, K. Nakata, and M. Ushio, Corrosion and wear behaviorsof ferrous powder thermal spray co

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