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摩擦磨損是自然界的一種普遍現(xiàn)象。摩擦是兩配合表面之間由于微區(qū)接觸而產(chǎn)生的原子或分子間的相互作用所引起的阻礙其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象；而磨損是指兩配合表面的物質(zhì)由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷損失的現(xiàn)象。只要存在物體表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就必然會(huì)出現(xiàn)摩擦，有摩擦就必然伴隨著磨損，可產(chǎn)生磨損的工作條件包括滑動(dòng)、微振、沖擊、擦傷、侵蝕等。

 

零件磨損通常都伴隨著溫度升高，其原因或是由于摩擦引起的或是與工作環(huán)境有關(guān)。一般情況下，耐磨涂層應(yīng)用在遭受撞擊磨損的條件下或腐蝕環(huán)境中。因此，作為耐磨涂層必須堅(jiān)硬、不易破碎，而且具有一定的耐熱和耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕的性能。但由于磨損原因的復(fù)雜性和磨損類(lèi)型的不確定性，在進(jìn)行耐磨涂層選擇時(shí)，必須分析清楚零部件的工作環(huán)境。采用熱噴涂技術(shù)可以增大軟基體或已經(jīng)發(fā)生磨損的基體的耐磨損性能。

 

一般來(lái)說(shuō)，與同類(lèi)材料的鑄造或鍛造結(jié)構(gòu)相比，熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)具有更高的耐磨性能。這是由于在熱噴涂過(guò)程中粒子經(jīng)受高速淬火以后，形成了具有一定孔隙的特殊結(jié)構(gòu)，在金屬涂層中，變形粒子周?chē)€會(huì)形成少量氧化物。涂層所具有的微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)不僅有利于零件表面潤(rùn)滑膜的保持，而且能夠容納磨損產(chǎn)生的碎屑，對(duì)提高零件表面的耐磨性能有利。  

 

根據(jù)摩擦表面的磨損過(guò)程及其破壞機(jī)理，可將磨損分為磨料磨損、粘著磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、微動(dòng)磨損、沖蝕磨損和高溫磨損，高溫磨損實(shí)質(zhì)上是粘著磨損和磨料磨損的綜合。各類(lèi)磨損的特點(diǎn)及其對(duì)涂層材料的性能要求見(jiàn)下表所示。      

 

磨損種類(lèi)、特點(diǎn)及其對(duì)涂層性能的要求

 

一、耐磨涂層性能要求

 

對(duì)耐磨涂層的要求取決于耐磨涂層與基體材料的力學(xué)匹配性、化學(xué)匹配性、施加載荷的方向和大小以及涂層本身的性能。根據(jù)耐磨涂層的應(yīng)用不同，涂層硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、涂層屈服強(qiáng)度、抗裂紋生核與長(zhǎng)大的能力等因素都影響涂層的耐磨性能。  

 

1 涂層結(jié)合強(qiáng)度要求。

 

對(duì)耐磨涂層的首要要求就是確保涂層與基體有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，為此，基體材料與涂層材料的選擇與設(shè)計(jì)應(yīng)以確保涂層牢固結(jié)合為前提。

 

1.1 基體應(yīng)無(wú)變形

 

當(dāng)耐磨涂層用于高負(fù)荷工況時(shí)，基體應(yīng)有足夠的硬度和屈服強(qiáng)度，以支承涂層不發(fā)生變形。      

 

1.2 涂層與基體材料的彈性模量匹配性

 

在彈性應(yīng)變情況下，如果涂層與基體的彈性模量不匹配，在負(fù)載時(shí)就會(huì)在涂層與基體的界面處產(chǎn)生陡變式的應(yīng)力。若涂層的剛性大于基體，涂層中的應(yīng)力就會(huì)增大。隨著載荷和涂層與基體的彈性模量差別增大，應(yīng)力增大。 下表列出了高速鋼與碳化物的彈性模量。

 

高速鋼與碳化物的彈性模量

 

1.3 涂層與基體材料的剛性匹配性

 

要使硬質(zhì)耐磨涂層具有較長(zhǎng)的使用壽命，涂層與基體材料的剛性應(yīng)有合理的匹配。如果在剛性小的基體材料上沉積剛性高的涂層，由于剛性不匹配，就會(huì)使涂層中的拉應(yīng)力增大，導(dǎo)致在涂層中形成裂紋并波及到基體，從而引起涂層發(fā)生早期破壞。

 

1.4 熱膨脹系數(shù)的匹配性

 

如果涂層與基體材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，就會(huì)因體積變化而產(chǎn)生應(yīng)力。通常，涂層與基體相比是很薄的，因此，基體的熱膨脹基本上不受涂層熱膨脹的影響，而涂層的熱膨脹則強(qiáng)烈的受到基體熱膨脹的影響。涂層與基體由于熱膨脹不匹配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力基本上都集中在涂層中。熱膨脹系數(shù)差別越大，涂層中的應(yīng)力就會(huì)越大，產(chǎn)生裂紋甚至剝落的傾向性就越大。這就是許多耐磨涂層尚未遭受?chē)?yán)重磨損就發(fā)生過(guò)早剝落失效的主要原因之一。下表列出了一些碳化物、氮化物涂層材料與鋼的熱膨脹系數(shù)。

 

碳化物、氮化物涂層材料與鋼的熱膨脹系數(shù)

 

 

當(dāng)基體的熱膨脹系數(shù)大于涂層的熱膨脹系數(shù)時(shí)，在升高溫度時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力為拉應(yīng)力；反之，若涂層的熱膨脹系數(shù)大于基體時(shí)，則為壓應(yīng)力。由表可以看出，大多數(shù)碳化物、氮化物及金屬陶瓷涂層的熱膨脹系數(shù)均小于鋼，只有TiN、NbN和Cr3C2的熱膨脹系數(shù)比較接近于高速鋼的熱膨脹系數(shù)，但差別仍不小。

 

1.5 涂層與基體材料之間的親和力

 

涂層與基體之間的親和力即化學(xué)結(jié)合能力直接影響涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。通常，一種化合物在另一種化合物中的固溶度低時(shí)，它們之間的結(jié)合強(qiáng)度也弱。只有當(dāng)涂層與基體之間具有最大的化學(xué)親和力而又不會(huì)產(chǎn)生脆性界面相時(shí)，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度才最大，才能充分發(fā)揮耐磨涂層的作用。提高結(jié)合強(qiáng)度，可先采用賽億科技的DM、Ni95打底材料。 

 

2 涂層耐磨性要求

 

在前述必須確保涂層與基體有足夠牢固的結(jié)合條件下，才能進(jìn)一步提出對(duì)涂層耐磨性的要求，這主要包括如下一些內(nèi)容。

 

2.1 涂層硬度

 

提高涂層硬度，有利于增大涂層的屈服強(qiáng)度，防止發(fā)生變形；涂層硬度增高，抗磨料磨損性能增強(qiáng)，涂層的磨料磨損速率與涂層硬度成反比。若涂層硬度超過(guò)磨料顆粒的硬度，磨料磨損速率急劇下降。因此，在磨料磨損的工況下，涂層硬度應(yīng)盡可能的高。而在滑動(dòng)磨損情況下，應(yīng)考慮使用韌性強(qiáng)的具有單相結(jié)構(gòu)的軟涂層，但不能有第二相硬質(zhì)顆粒存在，否則將引起嚴(yán)重的磨料磨損。

 

2.2 耐高溫磨損性能

 

當(dāng)硬質(zhì)涂層用作耐高溫磨損涂層時(shí)，不僅要求具有良好的高溫紅硬性，即具有高的高溫硬度，而且涂層與對(duì)偶摩擦材料之間的化學(xué)溶解度要小。

 

3 耐腐蝕磨損性能

 

耐磨涂層在腐蝕性介質(zhì)中的耐磨性能還取決于涂層在化學(xué)介質(zhì)中的耐蝕性能。許多硬質(zhì)涂層都具有優(yōu)異的耐蝕性，特別是氧化物和碳化物等陶瓷涂層是很好的耐腐蝕磨損涂層材料。 

 

4 涂層顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度高

 

硬質(zhì)涂層顆粒之間應(yīng)具有高的結(jié)合強(qiáng)度。例如，WC-Co金屬陶瓷涂層是很著名的耐磨涂層材料，鈷對(duì)碳化鎢等硬質(zhì)顆粒的潤(rùn)濕性極好，因而使碳化鎢顆粒能牢固的粘結(jié)在一起，不會(huì)發(fā)生剝落，在這種前提條件下，才能充分發(fā)揮碳化鎢硬質(zhì)相的高耐磨特性。

 

顯然，耐磨涂層的成功應(yīng)用既取決于涂層本身的耐摩擦磨損特性，還取決于涂層與基體之間性能的合理匹配。

 

二、耐磨涂層噴涂材料選擇

 

在某些情況下，要求涂層既具有良好的耐磨損性能也要具有非常優(yōu)良的耐腐蝕特性，例如，在石油、化工、海洋性氣氛等環(huán)境介質(zhì)中工作的零部件，如果將涂層耐磨損性能及耐腐蝕性能分為十個(gè)等級(jí)進(jìn)行定性評(píng)價(jià)的話(huà)，其結(jié)果如表所示。其中，1級(jí)表示該涂層的耐磨損性能或耐腐蝕性能最差，10級(jí)表示該涂層的耐磨損性能或耐腐蝕性能最優(yōu)。

 

常用耐磨涂層噴涂材料選擇表

 

 

依據(jù)耐磨涂層使用環(huán)境的差異，應(yīng)選擇不同的噴涂材料及噴涂工藝。

 

2.1 軟支承用涂層

 

這類(lèi)涂層允許磨粒嵌入，也允許變形以調(diào)整軸承表面。噴涂材料多為有色金屬，如鋁青銅、磷青銅、巴氏合金和錫涂層等。具體應(yīng)用零件如：巴氏合金軸承、水壓機(jī)軸套、止推軸承瓦、壓縮機(jī)十字滑塊等。

 

2.2 硬支承用涂層

 

硬支承表面通常在高載荷和低速度工況條件下工作，該類(lèi)支承一般用于可嵌入性和自動(dòng)調(diào)整性不重要的部位，以及潤(rùn)滑受限的部位。噴涂材料可選用鎳基、鐵基自熔合金、氧化物和碳化物陶瓷（如Al2O3-TiO2，Co-WC等）、難熔金屬M(fèi)o以及Mo加自熔合金等。具體應(yīng)用零件如：沖床減震器曲軸、防擦傷軸套、方向舵軸承、渦輪軸、主動(dòng)齒輪軸頸和活塞環(huán)燃料泵轉(zhuǎn)子等。

 

2.3 耐磨粒磨損涂層

 

當(dāng)使用溫度低于540℃時(shí)，涂層要能經(jīng)受外來(lái)磨料顆粒的切削和犁溝作用，涂層硬度應(yīng)超過(guò)磨粒硬度；涂層材料可選用自熔合金加Mo或Ni/Al混合粉、高鉻不銹鋼、Ni/Al絲、SAM、SNM、GY（賽億科技粉芯絲材型號(hào)）等耐磨絲材。具體應(yīng)用零件如：泥漿泵活塞桿、拋光桿襯套、混凝土攪拌機(jī)的螺旋輸送器、煙草磨碎錘、芯軸、磨光拋光夾具等。

 

當(dāng)耐磨粒磨損涂層的使用溫度在538-843℃之間時(shí)，涂層要求在高溫下有超過(guò)磨粒的硬度，還必須要有良好的抗氧化性，可采用鐵基、鎳基（如NAC、PSB45、ACL等Ni基粉芯絲材）、鈷基噴涂材料(如鈷基 Cr，Ni，W合金粉，Ni95（Ni95Al5）絲，奧氏體低碳不銹鋼，鎳、鈷自熔合金等)以及Cr3C2金屬陶瓷粉；在受沖擊或振動(dòng)負(fù)荷時(shí)，若溫度低于760℃，自熔合金最好；而當(dāng)侵蝕嚴(yán)重時(shí)，最好采用Cr3C2；如主要用于抗氧化，則可采用鐵、鎳、鈷基涂層。

 

2.4 耐硬面磨損涂層

 

當(dāng)使用溫度小于538℃時(shí)，磨損是由于硬面在較軟表面上滑動(dòng)時(shí)，硬的凸出部分使軟表面開(kāi)槽而導(dǎo)致刮出碎屑，此碎屑具有同磨粒一樣的作用，這種情況下要求涂層要比配對(duì)表面硬，可采用某些鐵基、鎳基、鉆基噴涂材料、自熔合金、有色金屬(例如加鐵鋁青銅)、氧化物陶瓷、碳化鎢及某些難熔金屬涂層材料。具體應(yīng)用零件如拉絲絞盤(pán)、制動(dòng)器套筒、撥叉、塞規(guī)、軋管定徑穿孔器、擠壓膜、導(dǎo)向桿、漿刀、滾筒、刀片軋碎機(jī)、纖維導(dǎo)向裝置、成型工具和泵密封圈等。 

 

當(dāng)耐硬面磨損涂層的使用溫度在540-815℃時(shí)，雖基本情況與以上相同，但由于磨損在高溫下會(huì)加劇進(jìn)行；所以，須采用鉆基自熔合金、Ni/Ai及碳化鉻涂層材料。當(dāng)溫度低于 760℃且有沖擊負(fù)荷時(shí)，宜選用自熔合金；溫度更高時(shí)宜選用Cr3C2涂層；以抗氧化為主則選Ni/Al等。具體應(yīng)用零件如：鍛造工具、熱破碎輥、熱成型模具等。

 

2.5 耐微振磨損涂層

 

由于磨損通常是由不可預(yù)計(jì)的微振引起的，所以當(dāng)使用溫度小于540℃時(shí)，應(yīng)選韌性較好的涂層，如自熔合金、氧化物、碳化物金屬陶瓷、某些Ni，F(xiàn)e，Co基噴涂材料和有色金屬等。具體應(yīng)用零件如，伺服馬達(dá)樞軸、凸輪隨動(dòng)件、搖臂、汽缸襯套、防氣圈、導(dǎo)葉、螺旋槳加強(qiáng)桿等。

 

當(dāng)耐微振磨損涂層的工作溫度在538-843℃時(shí)，由于工作溫度較高，可采用特定的鐵基、鎳基、鈷基材料及金屬碳化鉻陶瓷材料。具體應(yīng)用零件如：噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)氣密圈、氣密環(huán)、氣密墊圈和渦輪葉片等。

 

2.6 耐氣蝕涂層

 

因涂層要承受液體流中的氣體沖擊，故要求涂層具有良好的韌性、高的耐磨性、耐流體腐蝕、無(wú)脆性?？捎肗i基自熔合金、含Al 9.5%、 Fe 1%的銅合金、含Ni 38%的銅合金、自熔合金加Ni/Al混合粉、316型不銹鋼、超細(xì)的Al2O3及純Cr2O3等、賽億科技的SAM及SNM粉芯絲材，且所有的涂層都應(yīng)該經(jīng)過(guò)密封處理。具體應(yīng)用零件如：水輪機(jī)葉片、耐磨環(huán)、噴頭和柴油機(jī)氣缸襯套等。

 

2.7 耐沖蝕磨損涂層

 

這些涂層要能經(jīng)受尖銳的、硬顆粒引起的磨損?？刹捎脦追NNi基自熔合金粉、自熔合金加細(xì)銅混合粉、SAM、SNM、GY以及鎳基材料（ACL、PSB45等）、Al2O3 87%+TiO2 13%復(fù)合粉和 Co/WC復(fù)合粉。具體應(yīng)用零件如：抽風(fēng)機(jī)、水電閥和旋風(fēng)除塵器等。