等离子喷涂陶瓷涂层防滑性能与摩擦磨损性能探讨

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大多数情况下,设计上需要低的摩擦系数以减小磨损。然而,在工业应用中某些利用摩擦传动或摩擦制动的部件却需要具有较好耐磨性的同时兼具较高摩擦系数,但是这些部件摩擦系数较低或其衰减较严重,不能较好地满足使用,在其表面制备一层摩擦系数较大的陶瓷涂层可以很好地解决这一问题。本文以微米级的Al2O3-13%TiO2和WC-10Co-4Cr粉末为原始喂料,采用等离子喷涂技术,首先选取不同的特征等离子喷涂参数(CPSP)优化制备了WC涂层,然后使用已经成熟的工艺参数制备了两种颗粒度的Al2O3-13%TiO2涂层(简称ATS和ATB涂层)。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)表征了涂层的显微组织和物相转变;使用自制的静摩擦系数测试仪和MMS-1G高速摩擦试验机评价了涂层的静态和动态防滑性能;利用不同的试验机观察了涂层在低速和高速条件下的摩擦磨损性能并对其磨损机制进行了分析。研究结果如下:1. CPSP对WC颗粒在飞行过程中的热物理行为具有重要影响,随着CPSP降低,涂层的显微组织、致密性和力学性能均得到明显提升,比较接近由超音速火焰喷涂(HVOF)制得的WC涂层;而ATS和ATB涂层均为层片状结构,涂层中存在微裂纹、孔隙等缺陷,涂层中物相以γ-Al2O3为主;与ATS和ATB涂层相比,WC涂层的显微硬度和拉伸强度较高,但是断裂韧性略低于ATS涂层。2.涂层静态防滑性能与涂层材料本身、表面粗糙度、界面状态和配副材料均有一定的关系。在同种试验条件下,WC涂层的防滑性能好于ATB和ATS涂层;随着表面粗糙度升高,三种涂层防滑性能均有所提高;当界面有水存在时,会降低涂层的静摩擦系数,但是对涂层防滑性能影响不大,但当界面有油存在时,涂层的静摩擦系数大大下降,严重的影响了涂层防滑性能;在干态下采用橡胶配副时,可明显提高涂层的防滑能力。3.涂层动态防滑性能测试结果表明:随着滑动速度和载荷的提高,涂层的动态防滑性能均有明显的下降;在同种试验条件下,WC涂层的动态防滑性能好于ATB和ATS涂层,这主要是其显微结构的不同造成的。4.在低速摩擦试验中,三种涂层的摩擦系数均随着速度和载荷的升高而呈现下降的趋势,磨损率均随着速度和载荷的升高而呈现上升的趋势,但是在相同试验条件下,WC涂层具有最小的摩擦系数和磨损率,且摩擦过程比较平稳,因此WC涂层在低速下具有较好的摩擦磨损性能;低速下ATS和ATB涂层磨损机制为层片脆性断裂,而WC涂层磨损机制为塑性变形;5.在高速摩擦试验中,三种涂层的摩擦系数均随着速度和载荷的升高而呈现下降的趋势,磨损率均随着速度和载荷的升高而呈现上升的趋势,但是在相同试验条件下,WC涂层具有最高的磨损率,且摩擦过程平稳性较差,因此WC涂层在高速下摩擦磨损性能较差;高速下ATS和ATB涂层磨损机制以粘着磨损和层片剥落为主,而层间裂纹扩展导致的脆性断裂则主导了WC涂层的磨损机制。
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