一種具有高摩擦系數(shù)和低磨損率的無機(jī)涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有高摩擦系數(shù)和低磨損率的無機(jī)涂層材料及其制備方法，屬于 耐磨材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 耐磨涂層作為表面改性的一種手段，能夠賦予基體材料優(yōu)異的耐磨性能，延長其 使用壽命。因此，耐磨涂層的研宄一直受到人們的廣泛關(guān)注。耐磨涂層材料通常要求低摩 擦系數(shù)，但是，某些特定應(yīng)用場合需要高摩擦系數(shù)涂層材料，如汽車同步器等。同步器是汽 車變速箱的重要部件之一，能夠有效地降低汽車換擋過程中的震動(dòng)、沖擊和噪音，從而提高 汽車操縱的穩(wěn)定性和行駛的安全性。改變同步器結(jié)構(gòu)和同步器錐面的摩擦材料是提高同步 器性能的最主要手段。為確保變速箱良好的工作性能，要求同步器摩擦內(nèi)襯材料具有高而 穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、良好的耐磨性、耐高溫、優(yōu)異的抗沖擊載荷能力等綜合性能。
[0003] 金屬鉬（Mo)具有抗腐蝕、耐粘著磨損、高導(dǎo)熱率、低膨脹系數(shù)以及優(yōu)異的抗熱沖 擊性能等特點(diǎn)，常被用于改善減速器同步環(huán)、內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的摩擦學(xué)性能[1.Byoungchul Hwang，SunghakLee，JeehoonAhn，CorrelationofMicrostructureandWearResistance ofMolybdenumBlendCoatingsFabricatedbyAtmosphericPlasmaSpraying?Mat.Sci. Eng.A.，2004, 366:152-163]。目前，制備鉬涂層的工藝有爆炸噴涂、火焰噴涂和等離子噴涂 等[2.GuoJin,Bin-shiXu,Hai-douWang,Qing-fenLi,Shi-chengWei.Tribological propertiesofmolybdenumcoatingssprayedbyelectro-thermalexplosion directionalspraying.Surface&CoatingsTechnology. 201(2007):6678-6680 ;3?蒲澤 林，劉宗德，楊昆，毛雪平.電熱爆炸定向噴涂法制備鉬涂層.稀有金屬材料與工程.第 34卷，第4期，670-672頁，2005.]。爆炸噴涂技術(shù)工藝較復(fù)雜，此方法制備鉬涂層僅見 實(shí)驗(yàn)室報(bào)道。工業(yè)應(yīng)用較多的是氧-乙炔火焰絲材噴涂方法[4.YanShuqun.Studyof TechnologyforMo-BaseCoating[J].HunanMetallurgy，2001, 2:17 ~19]，該方法設(shè) 備簡單，但所制備的鉬涂層孔隙率較大，涂層內(nèi)部結(jié)合較差，導(dǎo)致其耐磨性能降低、使用 壽命偏短。等離子噴涂涂層具有孔隙率低、結(jié)合強(qiáng)度高、噴涂原料為粉體、噴涂材料范圍 廣等特點(diǎn) °ByoungchulHwang等[5.ByoungchulHwang,JeehoonAhn，SunghakLee. Effectsofblendingelementsonwearresistanceofplasma-sprayedmolybdenum blendcoatingsusedforautomotivesynchronizerrings.Surface&Coatings Technology. 194(2005) :256-264]采用等離子噴涂方法制備了用于汽車同步器的等離子噴 涂鉬合金涂層，并研宄了添加合金元素對(duì)其耐磨性能的影響。Mo屬于金屬材料，易于進(jìn)行機(jī) 械加工，但同時(shí)其硬度較低（1500MPa~1600MPa)，導(dǎo)致其耐磨損性能降低，使用壽命較短。 在鉬涂層中添加陶瓷組分，有利于改善其耐磨性能。
[0004] 碳化鋯（ZrC)，具有高硬度（25. 5GPa)、高熔點(diǎn)（3420°C)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等 特點(diǎn)，被研宄應(yīng)用于各種苛刻環(huán)境，如作為磨料，用于硬質(zhì)合金、剛玉或玻璃的加工，以及宇 航用耐高溫材料和核反應(yīng)中燃料顆粒的涂覆材料等[6.劉超，劉兵，邵友林，唐春和.高溫 氣冷堆包覆燃料顆粒ZrC涂層的研究進(jìn)展[J].稀有金屬材料與工程，36(2007):674-679; 7.OgawaT,IkawaK,IwamotoK.ChemicalvapordepositionofZrCwithinaspouted bedbybromideprogress[J].JournalofNuclearMaterials，97. 1(1981) :104-112]〇但 目前并沒有采用碳化鋯與鉬共同制備涂層的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在進(jìn)一步提高現(xiàn)有鉬涂層的性能，本發(fā)明提供了一種具有高摩擦系數(shù)和 低磨損率的無機(jī)涂層材料及其制備方法。
[0006] 本發(fā)明提供了一種具有高摩擦系數(shù)和低磨損率的涂層，所述涂層采用Mo-ZrC復(fù) 合粉體為原料，采用等離子噴涂技術(shù)在金屬基材上制備得到，所述涂層中，ZrC含量為10~ 80vol% 〇
[0007] 較佳地，所述涂層中，ZrC含量為40~60vol%。
[0008] 較佳地，所述涂層厚度為200~1000 y m。
[0009] 較佳地，所述金屬基材包括不銹鋼。
[0010] 較佳地，所述涂層，摩擦系數(shù)在〇. 7-0. 8之間，與純鉬涂層相比，在相同載荷作用 下體積磨損率更低。
[0011] 又，本發(fā)明還提供了一種上述涂層的制備方法，包括： 1) 按所述涂層的組成，分別稱取Mo粉體、ZrC粉體，均勻混合后，作為原料粉體； 2) 采用等離子體噴涂技術(shù)，將原料粉體噴涂在基材上，得到所述涂層。
[0012] 較佳地，Mo粉體、ZrC粉體通過機(jī)械球磨法實(shí)現(xiàn)均勻混合。
[0013] 較佳地，Mo粉體的粒徑為10~120ym，純度大于95wt. % ;ZrC粉體的粒徑為10~ 90ym，純度大于95wt. %。
[0014] 較佳地，等離子體噴涂的工藝參數(shù)包括： 等離子氣體Ar:30~50slpm;等離子體氣體H2:5~20slpm，優(yōu)選8_18slpm;粉末載氣Ar:1. 5~5slpm;噴涂距離：80~350_，優(yōu)選80~250mm;噴涂功率：30~58KW;送粉速 率：6 ~30r/min;噴涂壓力：100 ~800mbar〇
[0015] 本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明提出將ZrC作為第二相引入Mo涂層，即將金屬材料Mo與高硬度陶瓷材料ZrC組合，保持高摩擦系數(shù)的特點(diǎn)，同時(shí)降低其磨損率，從而延長其使用壽命。同時(shí)，提出采用等 離子體噴涂技術(shù)制備Mo-ZrC金屬-陶瓷涂層，該技術(shù)具有工藝過程穩(wěn)定、成本低、操作簡單 等特點(diǎn)，具有廣泛應(yīng)用的前景。
【附圖說明】
[0016] 圖1為實(shí)施例1制備的M〇-40v〇l. %ZrC復(fù)合粉體與復(fù)合涂層的XRD圖譜，圖中： a為粉體的XRD圖譜；b為涂層的XRD圖譜； 圖2為實(shí)施例1制備的M〇-40v〇l. %ZrC復(fù)合涂層的截面形貌掃描電鏡照片； 圖3為實(shí)施例1制備的M〇-40v〇l. %ZrC復(fù)合涂層的表面形貌掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖及下述實(shí)施方式 僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0018] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明人經(jīng)過研宄，發(fā)現(xiàn)在Mo涂層中添加一定含 量的ZrC，通過采用等離子體噴涂技術(shù)將Mo-ZrC復(fù)合粉體噴涂到金屬基材，可以獲得較致 密的、具有一定厚度的Mo-ZrC復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層具有高摩擦系數(shù)和低磨損率的顯著特 點(diǎn)。
[0019] 本發(fā)明公開了一種具有高摩擦系數(shù)，同時(shí)具有低磨損率的無機(jī)涂層材料。所述的 涂層材料是鉬-碳化鋯（Mo-ZrC)復(fù)合涂層中，Mo:ZrC(體積比）=90~20 :10~80,優(yōu) 選ZrC的體積百分含量為40 %~60 %。
[0020] 該涂層的摩擦系數(shù)達(dá)到0. 7~0. 8,厚度為200~1000ym。
[0021] 采用本發(fā)明方法獲得的Mo-ZrC復(fù)合涂層，與純Mo涂層相比，摩擦系數(shù)相近，為 0. 7~0. 8,但體積磨損率顯著降低，達(dá)200%以上。本發(fā)明還具有工藝簡單、易操作、成本 低，同時(shí)涂層質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)。
[0022] 所述涂層材料的制備方法包括，采用Mo-ZrC復(fù)合粉體為原料，采用等離子體噴涂 技術(shù)，在金屬基材上制備Mo-ZrC復(fù)合涂層。
[0023] 所述的Mo-ZrC復(fù)合粉體中的ZrC含量為10~80vol. %，優(yōu)先含量為40~ 60vol. % 〇
[0024] 所述的Mo-ZrC的復(fù)合粉體是由Mo粉體和ZrC粉體采用機(jī)械球磨法制備。
[0025] 采用等離子體噴涂技術(shù)為涂層制備方法，其工藝參數(shù)如下：等離子氣體Ar:30~ 50slpm(標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘）；等離子體氣體H2:5~20slpm(優(yōu)選8-18slpm);粉末載氣Ar: 1. 5~5slpm;噴涂距離：80~350mm(優(yōu)選80~250mm);噴涂功率：30~58KW;送粉速率： 6 ~30r/min;噴涂壓力：100 ~800mbar〇
[0026] 所述Mo粉體的粒徑為10~120ym，純度大于95wt. % ;所述ZrC粉體的粒徑為 10~90ym，純度大于95wt. %。
[0027] 采用本發(fā)明方法制得的Mo-ZrC復(fù)合涂層材料的摩擦系數(shù)與純Mo涂層相近，為 0. 7~0. 8之間，體積磨損率顯著降低可達(dá)200%以上，具有良好的耐磨性能；同時(shí)，本發(fā)明 采用的等離子體噴涂制備方法具有粉體原料來源廣泛、生產(chǎn)效率高、工藝穩(wěn)定等顯著特點(diǎn)。
[0028] 下面進(jìn)一步例舉實(shí)施例以詳細(xì)說明本發(fā)明。同樣應(yīng)理解，以下實(shí)施例只用于對(duì)本 發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā) 明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述示例具體的 工藝參數(shù)等也僅是合適范圍中的一個(gè)示例，即本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過本文的說明做合適 的范圍內(nèi)選擇，而并非要限定于下文示例的具體數(shù)值。
[0029] 實(shí)施例1 制備Mo-ZrC復(fù)合粉體 按ZrC體積含量為40 %分別稱取粒徑為10~100ym的Mo粉體和粒徑為10~80ym的ZrC粉體，在旋轉(zhuǎn)式振動(dòng)球磨機(jī)中機(jī)械混合，球磨罐旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為150rpm(轉(zhuǎn)每分鐘）， 球料比（質(zhì)量比）為2:1。球磨3小時(shí)后，取下球磨罐，復(fù)合粉體經(jīng)80目