宽温域耐磨自润滑涂层的制备及性能研究

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30Cr Mn Si合金结构钢因其优异的机械性能而得到广泛使用,但宽温域下抵抗磨损的能力较弱,限制了其在中高温环境中的应用。本文采用激光熔覆方法,以Ni Cr合金粉末、Cr3C2、WS2、Ca F2以及Ce F3·La F3复合粉末等为原料,在30Cr Mn Si合金结构钢表面上成功制备出一系列复合涂层。利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、硬度计和摩擦磨损测试仪等设备,对所制备复合涂层的物相结构,显微组织,显微硬度及宽温域(室温至800℃)的摩擦磨损特性进行了全面而细致的研究和分析,系统研究了不同种类的固体润滑剂对提高复合涂层耐磨性能所起的作用,通过观察和分析各涂层磨损后的表面显微形貌,阐明不同成分复合涂层的磨损机理。研究结果表明:激光熔覆制备的Ni Cr/Cr3C2-WS2-Ca F2复合涂层,随着合金粉末中WS2含量的增加,涂层中Cr S和Ca S含量逐渐增多。当粉末中WS2含量为5wt%和7.5wt%时,两种涂层中WS2几乎检测不到且显微组织相差不大,主要由网状的γ相和不规则碳化物构成。当粉末中WS2含量达到10wt%时,涂层内部的晶粒最细小,显微组织开始出现团簇状的Fe W2S4-Cr7C3共晶组织和针状的Ca S-Cr S共晶组织。该涂层平均显微硬度达到了804HV0.2是基材硬度的2.7倍。该涂层在室温下的磨损失重率仅为基材的1/10,室温下磨损机制为黏着磨损并伴随轻微的磨粒磨损。该涂层在400℃下的摩擦系数为0.39,与基体相比下降了37%,其磨损机制主要为黏着磨损和轻微的疲劳磨损。当温度达到800℃时,该涂层的磨损表面出现较多的剥落坑,主要是发生了氧化磨损和疲劳磨损。激光熔覆Ni Cr/Cr3C2-WS2-Ce F3·La F3复合涂层主要由网格状的复合碳化物以及不规则椭圆状的γ相和Ni17W3共晶组织构成,涂层从底部到顶部晶粒逐渐减小,依次由平面晶、胞状晶或树枝晶、等轴晶组成。当粉末中WS2和Ce F3·La F3的含量各占7.5wt%时,涂层的显微硬度最高,平均值达到了790HV0.2,较基体提高了1.6倍。该涂层在室温下的摩擦系数约为0.4,相对基体有明显的下降,涂层磨损后的表面清洁光滑,仅存在微小的刮擦,磨损机制为轻微的磨粒磨损。该涂层在400℃下的磨损失重仅为0.8mg,约为基材的1/9,涂层磨损表面出现较多的转移膜,其磨损机制主要为黏着磨损并伴有微弱的磨粒磨损。该涂层在800℃下的摩擦系数为0.3,较基体的0.82有大幅度的降低。磨损表面存在氧化膜,其磨损机制主要为氧化磨损和黏着磨损。同时在800℃下涂层磨损区域与未磨损区域的主要元素含量几乎没有发生变化,元素分布大致相同,说明该涂层在高温下能保持原有成分,添加的稀土金属氟化物在高温下能够有效地降低摩擦,减少磨损。
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