超微碳化钼涂层的制备及其耐磨性能的研究

任宝江

(金堆城钼业股份有限公司金属分公司，陕西西安710077)

0 前言

钼的碳化物具有一般金属碳化物所具备的超高的硬度、卓越的温度稳定性和热稳定性以及良好的耐腐蚀性能等特性。除此以外，钼的碳化物还被发现有类似贵金属的电子结构和催化特性以及拥有好的电容特征和充放电行为［1－4］，因此被广泛用于机械、航空航天、石油化工以及电子电器等领域。

随着纳米技术的发展，纳米材料的应用日见广泛。研究表明，相比传统涂层，经过纳米复合的涂层，具有优异的力学性能，如更好的耐磨性、更高的硬度、更低的孔隙率、良好的抗氧化性和耐腐蚀等［5－7］。因此将大大拓宽表面涂层的机构零件修复、强化和保护领域的应用。本文以Ni60金属粉为粘结金属，在其中加入不同比例的超微碳化钼粉体后，经等离子喷涂在基体表面形成涂层，然后通过磨损试验，对形成的涂层的磨损性能进行了研究。

1 试验方法

选用平均粒度在100 nm左右的超微碳化钼粉体，加入到普通Ni60金属粉中，然后在球磨机中混合均匀。超微碳化钼的加入量分别为入5%(质量分数，下同)、10%和15%(编号分别记为Ni－5NC、Ni－10NC和Ni－15MC)，Ni60金属粉在此作为粘结金属。将混好的粉料利用美国METCO公司的9MC型超音速等离子喷涂仪在基体上经等离子喷涂形成涂层。基体材料为40Cr钢，喷涂参数为：功率35 kW，电流 200 A，电压 175 V，氩气流量4 m3/h，氢气流量为0.6 m3/h，喷涂距离110 mm，涂层厚度400 μm。

涂层磨损试验在M－200环－块磨损试验机上进行，试验过程示意图见图1。对磨材料为淬火处理后的45号钢，磨损方式为干磨，实验压力为300 N，磨损时间2 h。

样品磨损后的磨损量通过磨损体积来计算。

图1 磨损过程示意图

计算公式如下：

式中：V－磨损体积，mm3；r－下试样半径，mm；a－磨痕长度，mm；L－上试样宽度，mm。

超微碳化钼粉体的粒度分析借助日本电子JSM－6700F高分辨率扫描电子显微镜(HRSEM)和JEM－200CX透射电子显微镜(TEM)进行，粉体的形貌及磨损样品的表面形貌用S－2700扫描电子显微镜(SEM)观察。

2 试验结果及分析

图2是试验中使用超微碳化钼粉体的SEM照片及TEM照片。

图2 超微碳化钼粉体的SEM照片及TEM照片

从图2可以看出，碳化钼颗粒分布相对均匀，尽管颗粒之间有一定的团聚现象，但仍可以看出颗粒为纳米量级的微粒，平均粒度在100 nm左右。TEM的选区电子衍射分析表明碳化钼粉体的晶体结构为六方结构。

图3是粘结金属Ni60粉体及混合均匀后的粉体的SEM照片。从中可以看出，Ni60粉体颗粒基本为球形，平均粒度在50 μm左右。混合均匀后，超微的碳化钼粉体均匀地粘附在Ni60颗粒表面。

图3 Ni60及混合后粉体的SEM照片

图4是等离子喷涂完后不同喷涂层表面及对应的磨损试验后的磨损面SEM照片。

从图4可以看出，Ni60涂层的磨损后的表面不但有犁削痕，还出现了表面剥落现象。而添加了超微碳化钼粉体的涂层的磨损后的磨面则主要是一些犁削痕，无明显剥落现象。

图5是基体材料40Cr、Ni60涂层以及不同含量碳化钼涂层之间的磨损体积比较图。可以看出，在同一磨损条件下，Ni60涂层的耐磨性要高于基体材料。而添加了不同质量百分比的超微碳化钼的涂层的耐磨性又优于Ni60涂层，且随着添加的碳化钼粉体的量的增加，涂层耐磨性也随之增加。

图4 不同喷涂层表面及对应磨损面的SEM照片

从磨损试验的结果来看，超微碳化钼粉体的加入，可以明显地提高材料的耐磨性能。这一方面是因为超微碳化钼在涂层中的均匀分布，很大程度上起到了弥散强化作用。这些超微碳化钼颗粒的存在，提高了涂层的粘结力和涂层的硬度，导致抗粘着磨损能力增加，增强了涂层的抗流变和犁削能力，改善了复合涂层的韧性和延展性，从而使得磨损过程中涂层不易脱落，进而提高了涂层的耐磨能力；另一方面，这些超微颗粒在摩擦过程中起到自润滑作用，改善了摩擦时的润滑状态。随着涂层磨损加剧，凸起的那部分超微颗粒将会被磨断、脱落，在磨损过程中，产生了一些强化相，覆盖在摩擦面上形成一层致密的保护膜，隔断了摩擦面的直接接触，使超微的碳化钼粒子在摩擦过程中起到支撑负荷的作用，降低了摩擦系数，从而提高了耐磨性［8－10］。

图5 不同样品的磨损体积图

3 结论

(1)通过等离子喷涂在基体材料上形成超微碳化钼涂层。通过对涂层进行磨损试验，结果表明，超微碳化钼粉体的加入可显著提高涂层的耐磨性，并且涂层的耐磨性随碳化钼粉体加入量的增加而提高。

(2)超微碳化钼涂层的磨损类型主要为犁削磨损。磨损过程中，涂层中均匀分布的超微碳化钼颗粒一方面起着弥散强化的作用，另一方面起着自润滑的作用。

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