CN104651770A - 一种具有高摩擦系数和低磨损率的无机涂层及其制备方法 - Google Patents

一种具有高摩擦系数和低磨损率的无机涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有高摩擦系数和低磨损率的无机涂层及其制备方法，所述涂层采用Mo-ZrC复合粉体为原料，在金属基材上喷涂得到，所述涂层中ZrC含量为10 ~ 80vol.%。本发明提出将ZrC作为第二相引入Mo涂层，即将金属材料Mo与高硬度陶瓷材料ZrC组合，保持高摩擦系数的特点，同时降低其磨损率，从而延长其使用寿命。

Description

一种具有高摩擦系数和低磨损率的无机涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有高摩擦系数和低磨损率的无机涂层材料及其制备方法，属于耐磨材料领域。
背景技术
耐磨涂层作为表面改性的一种手段，能够赋予基体材料优异的耐磨性能，延长其使用寿命。因此，耐磨涂层的研究一直受到人们的广泛关注。耐磨涂层材料通常要求低摩擦系数，但是，某些特定应用场合需要高摩擦系数涂层材料，如汽车同步器等。同步器是汽车变速箱的重要部件之一，能够有效地降低汽车换挡过程中的震动、冲击和噪音，从而提高汽车操纵的稳定性和行驶的安全性。改变同步器结构和同步器锥面的摩擦材料是提高同步器性能的最主要手段。为确保变速箱良好的工作性能，要求同步器摩擦内衬材料具有高而稳定的摩擦系数、良好的耐磨性、耐高温、优异的抗冲击载荷能力等综合性能。
金属钼(Mo)具有抗腐蚀、耐粘着磨损、高导热率、低膨胀系数以及优异的抗热冲击性能等特点，常被用于改善减速器同步环、内燃机活塞环的摩擦学性能[1.ByoungchulHwang，Sunghak Lee，Jeehoon Ahn，Correlation of Microstructure and Wear Resistance ofMolybdenum Blend Coatings Fabricated by Atmospheric Plasma Spraying，Mat.Sci.Eng.A.，2004,366:152-163]。目前，制备钼涂层的工艺有爆炸喷涂、火焰喷涂和等离子喷涂等[2.GuoJin，Bin-shi Xu，Hai-dou Wang，Qing-fen Li，Shi-cheng Wei.Tribological properties ofmolybdenum coatings sprayed by electro-thermal explosion directional spraying.Surface&Coatings Technology.201(2007):6678-6680；3.蒲泽林，刘宗德，杨昆，毛雪平.电热爆炸定向喷涂法制备钼涂层.稀有金属材料与工程.第34卷，第4期，670-672页，2005.]。爆炸喷涂技术工艺较复杂，此方法制备钼涂层仅见实验室报道。工业应用较多的是氧-乙炔火焰丝材喷涂方法[4.Yan Shuqun.Study of Technology for Mo-Base Coating[J].Hunan Metallurgy，2001,2:17～19]，该方法设备简单，但所制备的钼涂层孔隙率较大，涂层内部结合较差，导致其耐磨性能降低、使用寿命偏短。等离子喷涂涂层具有孔隙率低、结合强度高、喷涂原料为粉体、喷涂材料范围广等特点。Byoungchul Hwang等[5.Byoungchul Hwang，Jeehoon Ahn，Sunghak Lee.Effects of blending elements on wear resistance of plasma-sprayed molybdenumblend coatings used for automotive synchronizer rings.Surface&Coatings Technology.194(2005):256-264]采用等离子喷涂方法制备了用于汽车同步器的等离子喷涂钼合金涂层，并研究了添加合金元素对其耐磨性能的影响。Mo属于金属材料，易于进行机械加工，但同时其硬度较低(1500MPa～1600MPa)，导致其耐磨损性能降低，使用寿命较短。在钼涂层中添加陶瓷组分，有利于改善其耐磨性能。
碳化锆(ZrC)，具有高硬度(25.5GPa)、高熔点(3420℃)和良好的化学稳定性等特点，被研究应用于各种苛刻环境，如作为磨料，用于硬质合金、刚玉或玻璃的加工，以及宇航用耐高温材料和核反应中燃料颗粒的涂覆材料等[6.刘超，刘兵，邵友林，唐春和.高温气冷堆包覆燃料颗粒ZrC涂层的研究进展[J].稀有金属材料与工程，36(2007):674-679；7.Ogawa T,Ikawa K,Iwamoto K.Chemical vapor deposition of ZrC within a spouted bed by bromideprogress[J].Journal of Nuclear Materials,97.1(1981):104-112]。但目前并没有采用碳化锆与钼共同制备涂层的报道。
发明内容
本发明旨在进一步提高现有钼涂层的性能，本发明提供了一种具有高摩擦系数和低磨损率的无机涂层材料及其制备方法。
本发明提供了一种具有高摩擦系数和低磨损率的涂层，所述涂层采用Mo-ZrC复合粉体为原料，采用等离子喷涂技术在金属基材上制备得到，所述涂层中，ZrC含量为10～80vol％。
较佳地，所述涂层中，ZrC含量为40～60vol％。
较佳地，所述涂层厚度为200～1000μm。
较佳地，所述金属基材包括不锈钢。
较佳地，所述涂层，摩擦系数在0.7-0.8之间，与纯钼涂层相比，在相同载荷作用下体积磨损率更低。
又，本发明还提供了一种上述涂层的制备方法，包括：
1)按所述涂层的组成，分别称取Mo粉体、ZrC粉体，均匀混合后，作为原料粉体；
2)采用等离子体喷涂技术，将原料粉体喷涂在基材上，得到所述涂层。
较佳地，Mo粉体、ZrC粉体通过机械球磨法实现均匀混合。
较佳地，Mo粉体的粒径为10～120μm，纯度大于95wt.％；ZrC粉体的粒径为10～90μm，纯度大于95wt.％。
较佳地，等离子体喷涂的工艺参数包括：
等离子气体Ar：30～50slpm；等离子体气体H2:5～20slpm，优选8-18slpm；粉末载气Ar：1.5～5slpm；喷涂距离：80～350mm，优选80～250mm；喷涂功率：30～58KW；送粉速率：6～30r/min；喷涂压力：100～800mbar。
本发明的有益效果：
本发明提出将ZrC作为第二相引入Mo涂层，即将金属材料Mo与高硬度陶瓷材料ZrC组合，保持高摩擦系数的特点，同时降低其磨损率，从而延长其使用寿命。同时，提出采用等离子体喷涂技术制备Mo-ZrC金属-陶瓷涂层，该技术具有工艺过程稳定、成本低、操作简单等特点，具有广泛应用的前景。
附图说明
图1为实施例1制备的Mo-40vol.％ZrC复合粉体与复合涂层的XRD图谱，图中：a为粉体的XRD图谱；b为涂层的XRD图谱；
图2为实施例1制备的Mo-40vol.％ZrC复合涂层的截面形貌扫描电镜照片；
图3为实施例1制备的Mo-40vol.％ZrC复合涂层的表面形貌扫描电镜照片。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
针对现有技术存在的上述问题，本发明人经过研究，发现在Mo涂层中添加一定含量的ZrC，通过采用等离子体喷涂技术将Mo-ZrC复合粉体喷涂到金属基材，可以获得较致密的、具有一定厚度的Mo-ZrC复合涂层，该复合涂层具有高摩擦系数和低磨损率的显著特点。
本发明公开了一种具有高摩擦系数，同时具有低磨损率的无机涂层材料。所述的涂层材料是钼-碳化锆(Mo-ZrC)复合涂层中，Mo：ZrC(体积比)＝90～20：10～80，优选ZrC的体积百分含量为40％～60％。
该涂层的摩擦系数达到0.7～0.8，厚度为200～1000μm。
采用本发明方法获得的Mo-ZrC复合涂层，与纯Mo涂层相比，摩擦系数相近，为0.7～0.8，但体积磨损率显著降低，达200％以上。本发明还具有工艺简单、易操作、成本低，同时涂层质量稳定等特点。
所述涂层材料的制备方法包括，采用Mo-ZrC复合粉体为原料，采用等离子体喷涂技术，在金属基材上制备Mo-ZrC复合涂层。
所述的Mo-ZrC复合粉体中的ZrC含量为10～80vol.％，优先含量为40～60vol.％。
所述的Mo-ZrC的复合粉体是由Mo粉体和ZrC粉体采用机械球磨法制备。
采用等离子体喷涂技术为涂层制备方法，其工艺参数如下：等离子气体Ar：30～50slpm(标准升每分钟)；等离子体气体H2:5～20slpm(优选8-18slpm)；粉末载气Ar：1.5～5slpm；喷涂距离：80～350mm(优选80～250mm)；喷涂功率：30～58KW；送粉速率：6～30r/min；喷涂压力：100～800mbar。
所述Mo粉体的粒径为10～120μm，纯度大于95wt.％；所述ZrC粉体的粒径为10～90μm，纯度大于95wt.％。
采用本发明方法制得的Mo-ZrC复合涂层材料的摩擦系数与纯Mo涂层相近,为0.7～0.8之间，体积磨损率显著降低可达200％以上，具有良好的耐磨性能；同时，本发明采用的等离子体喷涂制备方法具有粉体原料来源广泛、生产效率高、工艺稳定等显著特点。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
制备Mo-ZrC复合粉体
按ZrC体积含量为40％分别称取粒径为10～100μm的Mo粉体和粒径为10～80μm的ZrC粉体，在旋转式振动球磨机中机械混合，球磨罐旋转速度设定为150rpm(转每分钟)，球料比(质量比)为2:1。球磨3小时后，取下球磨罐，复合粉体经80目过筛，备用。
制备涂层
1)对不锈钢基材进行预处理：将经喷砂(喷砂压强约为0.2MPa)处理后的不锈钢圆片基材(Ф60mm×8mm)置于无水乙醇溶液中超声5分钟，烘干备用；
2)采用等离子体喷涂技术，设备为Sulzer Metro公司(瑞士)的A-2000等离子体喷涂系统，该系统主要由F4-MB型喷枪以及ABB公司(美国)生产的S3型机械手组成，送粉器为Twin-10型双送粉系统。在处理后的不锈钢圆片基材上制备涂层，采用的等离子体喷涂工艺参数如下：等离子体气体Ar流量为32slpm；等离子体气体H2流量为16slpm；粉末载气Ar流量为5slpm；喷涂距离为140mm；送料速率为25r/min；喷涂功率为32kW；所喷涂的粉体为所制得的Mo-ZrC复合粉体。
图1为Mo-40vol.％ZrC复合涂层与复合粉体的XRD图谱。说明等离子喷涂Mo-40vol.％ZrC复合涂层主要是由Mo相和ZrC相组成，其相组成结构与原粉体相比，除衍射强度略下降外，没有明显变化。
图2为Mo-40vol.％ZrC复合涂层的截面形貌扫描电镜照片。由图2可见，所制得的Mo-40vol.％ZrC复合涂层呈典型的层状结构。厚度约400μm。制备的Mo-40vol.％ZrC复合涂层具有致密、均匀的显微结构。
图3为本实施例制备的Mo-40vol.％ZrC复合涂层的表面形貌扫描电镜照片。由图3可见，Mo-40vol.％ZrC复合粉体在喷涂过程中得到了较好的熔融，熔滴在涂层表面铺展较充分。
将喷涂有涂层的摩擦盘，经过一系列磨平、抛光处理后(表面粗糙度Ra小于0.5μm)，与Ф9.525mm的YG6硬质合金球(主要成分为WC-Co)以球-盘(Ball-on-disk)接触方式对磨。磨损试验设备为美国CETR公司的UMT-3多功能摩擦磨损测试仪。磨损试验条件为：(1)低载荷20N，线速度0.5m/s，测试时间900s；(2)高载荷50N，线速度0.5m/s，测试时间900s。摩擦系数由摩擦设备直接读取。
采用表面轮廓仪测出磨痕截面积，截面积与磨痕周长相乘得出磨损体积，磨损率的计算公式为： W = ΔV Fl - - - ( 1 )
式中，W-磨损率；△V-磨损体积；F-正压力；L-摩擦行程。
本实施例制备的Mo-40vol.％ZrC复合涂层，在低载荷20N时，摩擦系数值为0.79±0.01，体积磨损率为1.33±0.12(10-3mm3/N·m),对比例1中纯Mo涂层摩擦系数为0.82±0.02，体积磨损率为2.81±0.10(10-3mm3/N·m)；在高载荷50N时，Mo-40vol.％ZrC复合涂层摩擦系数为0.73±0.01，体积磨损率为0.59±0.05(10-3mm3/N·m)，对比例1中纯Mo涂层摩擦系数为0.76±0.02，体积磨损率为2.05±0.007(10-3mm3/N·m)。相对于纯Mo涂层，Mo-40vol.％ZrC复合涂层的磨损率在低载荷和高载荷时分别降低了111％和248％，具有显著性差异。
实施例2
按ZrC体积含量为50％分别称取粒径为10～100微米的Mo粉体和粒径为10～80μm的ZrC粉体，进行机械球磨混合制得Mo-ZrC复合粉体；将所制备的Mo-ZrC复合粉体采用等离子体喷涂技术喷涂于处理后的不锈钢圆片基材上；
采用的等离子体喷涂的工艺参数如下：等离子体气体Ar流量为34slpm；等离子体气体H2流量为14slpm；粉末载气Ar流量为5slpm；喷涂距离为130mm；送料速率为25r/min；喷涂功率为35kW；所喷涂的粉体为制得的Mo-50vol.％ZrC复合粉体。采用球-盘接触方式研究其在低载荷(20N)和高载荷(50N)的耐磨性能，线速度0.5m/s,测试时间900s。其余内容与实施例1中所述相同。
本实施例制备的Mo-50vol.％ZrC复合涂层，在低载荷20N时，摩擦系数值为0.78±0.01，体积磨损率为1.65±0.13(10-3mm3/N·m)；在高载荷50N时，Mo-50vol.％ZrC复合涂层摩擦系数为0.72±0.01，体积磨损率为0.89±0.05(10-3mm3/N·m)。复合涂层的磨损率在低载荷和高载荷时，相对于对比例1中纯Mo涂层，分别降低了70％和130％，具有显著差异。
实施例3
按ZrC体积含量为60％分别称取粒径为10～100微米的Mo粉体和粒径为10～80μm的ZrC粉体，进行机械球磨混合制得Mo-ZrC复合粉体；将所制备的Mo-ZrC复合粉体采用等离子体喷涂技术喷涂于处理后的不锈钢圆片基材上；
采用的等离子体喷涂的工艺参数如下：等离子体气体Ar流量为35slpm；等离子体气体H2流量为16slpm；粉末载气Ar流量为5slpm；喷涂距离为140mm；送料速率为25r/min；喷涂功率为34kW；所喷涂的粉体为制得的Mo-60vol.％ZrC复合粉体。采用球-盘接触方式研究其在低载荷(20N)和高载荷(50N)的耐磨性能，线速度0.5m/s,测试时间900s。其余内容与实施例1中所述相同。
本实施例制备的Mo-60vol.％ZrC复合涂层，在低载荷20N时，摩擦系数值为0.79±0.01，体积磨损率为2.11±0.09(10-3mm3/N·m)；在高载荷50N时，Mo-60vol.％ZrC复合涂层摩擦系数为0.72±0.01，体积磨损率为1.42±0.03(10-3mm3/N·m)。复合涂层的磨损率在低载荷和高载荷时，相对于对比例1中纯Mo涂层，分别降低了33％和44％，具有显著差异。
对比例1
采用等离子体喷涂工艺，以纯的Mo粉为原料，在处理后的不锈钢圆片基材上制备Mo涂层，采用的喷涂工艺参数为：等离子体气体Ar流量为32slpm；等离子体气体H2流量为10slpm；粉末载气Ar流量为5slpm；喷涂距离为140mm；送料速率为25r/min；喷涂功率为30kW。其余内容与实施例1所述相同；
纯Mo涂层，在载荷20N时，摩擦系数为0.82±0.02，体积磨损率为2.81±0.10(10- 3mm3/N·m)；在载荷50N时，摩擦系数为0.76±0.02，体积磨损率为2.05±0.007(10- 3mm3/N·m)。说明纯Mo涂层同时具有高的摩擦系数和高的磨损率。
对比例2
采用等离子体喷涂工艺，以纯的ZrC粉为原料，在处理后的不锈钢圆片基材上制备纯ZrC涂层。采用的喷涂工艺参数为：等离子体气体Ar流量为35slpm；等离子体气体H2流量为12slpm；粉末载气Ar流量为2slpm；喷涂距离为130mm；送料速率为20r/min；喷涂功率为39kW。所喷涂的粉体为纯ZrC粉体。其余内容与实施例1所述相同；
纯ZrC涂层，在载荷20N时，摩擦系数为0.23±0.03，体积磨损率为0.002±0.0003(10- 3mm3/N·m)：在载荷50N时，摩擦系数为0.25±0.06，体积磨损率为0.002±0.0003(10- 3mm3/N·m)。说明纯ZrC涂层同时具有低的摩擦系数和低的磨损率。
表1低载荷20N情况下，各实施例和对比例涂层的摩擦系数(COF)和体积磨损率(W)
实施例 涂层 COF W(10-3mm3/N·m)
实施例1 Mo-40vol.％ZrC 0.79±0.01 1.33±0.12
实施例2 Mo-50vol.％ZrC 0.78±0.01 1.65±0.13
实施例3 Mo-60vol.％ZrC 0.79±0.01 2.11±0.09
对比例1 Mo涂层 0.82±0.02 2.81±0.10
对比例2 ZrC涂层 0.23±0.03 0.002±0.0003
表2高载荷50N情况下，各实施例和对比例涂层的摩擦系数(COF)和体积磨损率(W)
实施例 涂层 COF W(10-3mm3/N·m)
实施例1 Mo-40vol.％ZrC 0.73±0.01 0.59±0.05
实施例2 Mo-50vol.％ZrC 0.72±0.01 0.89±0.05
实施例3 Mo-60vol.％ZrC 0.72±0.01 1.42±0.03
对比例1 Mo涂层 0.76±0.02 2.05±0.007
对比例2 ZrC涂层 0.25±0.06 0.002±0.0003

Claims (10)

1.一种具有高摩擦系数和低磨损率的涂层，其特征在于，所述涂层采用Mo-ZrC复合粉体为原料，在金属基材上喷涂得到，所述涂层中ZrC含量为10 - 80vol.%。
2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，采用等离子喷涂技术在金属基材上喷涂Mo-ZrC复合粉体制备得到所述涂层。
3.根据权利要求1或2所述的涂层，其特征在于，所述涂层中，ZrC含量为40 -60vol%。
4.根据权利要求1-3中任一所述的涂层，其特征在于，所述涂层厚度为200-1000μm。
5.根据权利要求1-4中任一所述的涂层，其特征在于，所述金属基材包括不锈钢。
6.根据权利要求1-5中任一所述的涂层，其特征在于，所述涂层的摩擦系数在0.7-0.8之间。
7.一种权利要求1-6中任一所述涂层的制备方法，其特征在于，包括：
1）按所述涂层的组成，分别称取Mo粉体、ZrC粉体，均匀混合后，作为原料粉体；
2）采用等离子体喷涂技术，将原料粉体喷涂在基材上，得到所述涂层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，Mo粉体、ZrC粉体通过机械球磨法实现均匀混合。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，Mo粉体的粒径为10 -120μm，纯度大于95wt.%； ZrC粉体的粒径为10-90μm，纯度大于95wt%。
10.根据权利要求7-9中任一所述的制备方法，其特征在于，等离子体喷涂的工艺参数包括：等离子气体Ar：30-50slpm；等离子体气体H2:5-20slpm，优选8-18slpm；粉末载气Ar：1.5-5slpm；喷涂距离：80-350mm，优选80-250mm；喷涂功率：30-58KW；送粉速率：6-30r/分钟；喷涂压力：100-800mbar。
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