镍基WC-Co涂层的摩擦学的行为通过喷雾沉积和融合技术不同的氧气流

文摘

镍基WC-Co涂层的摩擦磨损行为进行了分析。灰口铸铁基体上涂层沉积在喷雾和融合过程使用喷气式飞机Eutalloy沉积设备,不同的氧气流火焰的条件。涂层的晶体结构特点是通过x射线衍射(XRD)技术。表面显微硬度测量和横截面的涂料通过努普显微硬度测试仪。地形和涂料的形态特征和tribo-surfaces检查使用扫描电子显微镜(SEM)和共焦显微镜,而化学成分测量的能量色散x射线能谱(EDS)。涂层的摩擦学的行为是通过检查cohesion-adhesion划痕试验,使用横截面的涂料。此外,两个穿进行测试,使用pin-on-disk方法在ASTM标准可以和ASTM标准G65砂/橡胶轮磨损测试。涂层的磨损表现出亲密关系中的孔隙度金属矩阵;从那时起,在磨料磨损试验,高孔隙度较低的硬度有关涂料;同样,低硬度高穿有关。

1。介绍

WC-Co涂层耐磨性应用程序中经常使用由于其摩擦学性能(1,2]。这些涂层沉积主要是使用热喷涂技术,如高速燃油(技术)、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂(3,4]。喷雾和保险丝热喷涂过程具有重要的优势相比其他热喷涂技术由于易于生产的涂料,各种各样的几何形状和表面涂层,涂层的生产成本相对较低,易于处理的设备。此外,涂料生产使用这种技术有一个较低程度的基质孔隙度和高附着力。这些涂料已用于应用程序防止磨损等工业工具(5,6]。

金属陶瓷涂层的一些应用程序已经被一些作者报道像Szymański et al .,他发现涂料所产生的热喷涂技术显示高耐腐蚀和侵蚀在工业上的应用。空蚀测试进行涂层沉积的HBOF技术符合ASTM G32标准,确定滑动磨损机制和汽蚀涂料。同样,沉积金属陶瓷涂层的失效分析HBOF技术表明,氧化钇增强WC-10Co4Cr涂料tribo-resistance和力学性能优越,而WC-10Co4Cr涂层显示,粉煤灰水泥浆具有良好的耐磨性自然弱酸性。镍基合金的机械性能/ nano-h-BN自润滑复合涂层被Zhang et al。分析,他发现的平均显微硬度涂层受到固体润滑剂的添加粉末原料(7- - - - - -10]。

在目前的调查,我们描述镍基WC-Co涂层的摩擦学的行为通过喷雾沉积和融合技术和评估中的摩擦学行为作为氧气流量的函数。报告关于氧气流在热喷涂系统的变化是广泛的,和作者如Bandgopadhyag等人和Nylen使用计算机软件模型的影响氧气流速度和温度的分布在一个氧乙炔火焰。热功率P_f的火焰取决于燃料/氧化剂比例和燃气进给速率,μ;燃烧的限制因素莫₂,可以说P_f氧气流量成正比。因此,氧流量是一个非常重要的参数在力学和摩擦学性能的涂层通过热喷涂技术;然而,报告发现在文献在这方面很穷11- - - - - -15]。

2。实验装置

使用喷雾和保险丝热喷涂技术,镍基WC-Co涂层沉积在灰色铸铁圆柱41毫米直径4毫米的基板厚度、不同氧气流的氧乙炔火焰四次,目的获得渗碳,中性,氧化火焰。基质是使用商业脱脂清洗液体和随后沉浸在超声波浴10分钟。一个商业粉叫MetaCeram用于填充材料。涂层的沉积过程中,灰铸铁基体预热温度在500和600°C,然后填充材料喷射到基板上,然后这个材料融化到基板上,形成涂层。总结了沉积条件表1。气体的压力参数,喷洒和保险丝,之间的距离和喷嘴式的manufaturater MetaCeram粉末。

涂层的晶体结构进行了分析使用x射线衍射(XRD)技术。XRD模式得到Panalytical设备与铜Bragg-Brentano几何Kα辐射的 和0.02°的一步。确定晶体的飞机涂料、X´Pert HighScore软件使用。利用扫描电子显微镜(SEM)和激光共聚焦显微镜,涂料的形态和地形的细节进行了分析,以及磨损痕迹,为了确定涂层的磨损机制。涂料的化学分析和磨损痕迹通过能量色散x射线能谱(EDS)使用范广达200 - r设备。

显微硬度测量进行了使用努规模LECO微观硬度计压头,300克的负载和15秒的停留时间。磨损测量使用ASTM G99-04测试,与pin-on-disk cetr -城市轨道交通2 - 110测试人员,在室温下工作,测试时间的600年代和400 g 838高压负载使用钢球的硬度和10毫米直径的测试速度和10 cm / s。此外,我们使用了ASTM g - 65 B下测试程序(130 N的负载和2000年革命的车轮获得∼1436穿距离)。

3所示。结果与讨论

3.1。XRD分析

在之前的调查16),我们发现x射线衍射模式对应于MetaCeram镍粉展品₃B和倪峰值与倪倒影在晶体飞机(111),(200),(220),(311),(222),根据X 'Pert HighScore卡,参考代码:03-065-2865。WC(十六进制)(001),(100)和(101),W₂C和金属W峰值检测,由于脱碳过程的WC粒子,根据卡片与参考代码00-051-0939和00-051-0939。这种晶体结构的MetaCeram复制在涂料在不同的氧气流条件下产生。此外,在涂料中,B₂O₃峰,倒影在晶面(310),出现在模式。微晶的大小是决定使用Williamson-Hall方法。

3.2。显微硬度

根据Paneto et al。17),为了计算的理论硬度(高压₀)的复合材料,如MetaCeram涂料,有必要考虑沉积组分的摩尔分数乘以各自的理论硬度。MetaCeram,磁粉的主要元素是作为wt %,是按照以下顺序:倪为44%,WC /公司40%,铬在9.3%。计算的理论硬度,使用的关系, 是Ni的摩尔分数,B的摩尔分数WC, C Cr的摩尔分数,630高压致密镍的理论硬度100%,2050高压致密的理论硬度100% WC /公司,最后90高压致密Cr的理论硬度100%。使用方程(1),MetaCeram涂料计算获得的理论硬度值为1105.57 HV10850 MPa。这个值非常接近平均涂层的显微硬度值表2涂料在不同氧沉积通量。这些值的结果平均的硬度的表面涂料的直径的线,每个存款有三个控制样本。

图1显示了显微硬度的变化与微晶尺寸的金属镍矩阵和WC / Co颗粒。图表显示,与微晶大小为50纳米涂料倪矩阵和67纳米WC /公司矩阵达到最大值的显微硬度。此外,微晶的显微硬度也明显减少记录值接近10海里,这是按照Hall-Petch理论表明,屈服应力,因此硬度有关的平方根的倒数与微晶尺寸(18,19]。此外,Sriraman et al。20.)报告说,倪W合金的微晶尺寸的细化结果增加材料的硬度。材料的显微组织细化,材料的弹性极限或硬度增加然后减少,在达到最大屈服应力阈值。几项研究已经建立了这个阈值10至40 nm。微晶尺寸的影响抗拉强度可以从位错理论进行分析;因此,材料的塑性变形必须能够克服最大应力,从而增加位错的密度。小微晶大小产生更多的晶体之间的边界,这阻碍了混乱的运动,最大拉应力在塑性变形强烈影响微晶的平均尺寸和粒子的形态。

显微硬度的降低也是高度受孔隙度的影响。孔隙度指数计算的结果通过描述使用potentiodynamic极化技术在衬底和涂料在先前的纸,和平均孔隙度测量误差为0.021% (16]。图2显示了截面MetaCeram涂料;在这个图中,涂料的毛孔明显升值。图3显示了显微硬度的变化作为孔隙度的函数。很明显,大孔隙度值导致硬度下降的存款。这种行为可以解释自负荷硬度计压头材料多孔的地方也没找到。

3.3。划痕试验

图4显示了划痕测试轨道上执行负载的MetaCeram涂料15 N。视锥细胞的面积是通过光学显微镜和图像分析仪获得的。应用下的耐擦伤性值获得ISO / WD 27307表进行了总结3。变异系数(Vr)根据决定, 在哪里ρ代表了标准差和锥形区域的平均值(21,22]。

在这些涂料、5 N负荷没有生成一个可检测划痕跟踪,由于其硬度高,虽然有一个负载10 N,虽然可以欣赏抓跟踪和锥的形成在substrate-coating界面和表面区域,通过划痕裂纹的传播模式并没有清楚地看到。划痕测试执行和15 N, substrate-coating接口的锥的形成以及锥表面清晰得多。这些结构可能的失败表明,这些涂料粘合剂和凝聚力。然而,在缺乏明确的开裂substrate-coating接口,也可以认为锥的形成胶区可能是一个产品的硬度高灰口铸铁基体和涂层之间的区别,这可能会导致突然的变化程度的渗透涂层的硬度计压头当从衬底。

内聚破坏区,涂层分离通过划痕试验的15 N负荷,和WC / Co颗粒的释放或nonmolten粒子被发现使用划痕试验,这表明,碳化物颗粒不完全熔化的金属镍基体涂层。锥的面积是显示出与涂层的孔隙度:涂料的高孔隙度记录高值区域的内聚破坏的锥。

3.4。Pin-on-Disk磨损试验

图5的摩擦系数(咖啡)曲线显示MetaCeram涂料在不同的氧气流条件下沉积。涂料的咖啡是获得的稳定区域图。通过光学显微镜利用图像分析仪,穿跟踪得到的平均宽度,为了计算磨损量和磨损系数。表4记录的参数pin-on-disk测试进行MetaCeram涂料。磨损量和磨损系数计算根据方程(3)和(4),分别。磨损体积的计算表明,涂层不表现出显著的穿,因为穿主要发生在销,因为涂层的平均硬度大于销。这个图中可以看到6与激光共聚焦显微镜,穿跟踪。 在哪里代表销的直径是穿的直径。 在哪里磨损体积和吗是负载。

一般来说,MetaCeram显示磨损系数K的涂料和咖啡在高氧通量变化明显的火焰。这可能是由于产品硬度更高,比如WC /有限公司在倪总矩阵,从而导致更少的有效接触摩擦。粘着磨损试验的结果与以前的研究一致。作者如Torgerson et al。23报告的形成NiO层镍基热喷涂涂层沉积通过冷。这些作者发现,氧化镍层的形成降低了摩擦系数。同样,WC颗粒提供抵抗热软化,并帮助改善耐磨性在升高的温度下。

图7显示了恶化过程中经历了由MetaCeram涂料pin-on-disk磨损测试。图片看不出皱纹的磨料磨损;这证实,这些涂层的磨损机制主要是由于粘着磨损产生的氧化物,证明由XRD研究和可能的氧化物形成在磨损试验。图片也显示,WC颗粒磨损试验后不接受严重恶化;相反,它们作为积累点磨损的材料,防止磨损机制。涂料的一些区域显示在点与nonmolten颗粒等缺陷或微裂隙孔磨损轨道上。

磨损机制明显pink-on-disk试验表明,点,涂层表面之间的接触和穿球(接触点),生成高峰或粗糙的涂层的沉积在高氧压力(16.56 SCFH)。接触的点被打破和再生试验发展。

磨损率的行为作为显微硬度的函数如图8。在图中,很明显,磨损系数与显微硬度的增加。

3.5。磨料磨损试验

灰色的磨料磨损测试基板和MetaCeram涂料进行了以下程序B的ASTM g - 65橡胶轮测试标准,它指定一个负载与200 - 130 N轮革命,产生1436使用渥太华砂磨料磨损距离。使用Archard方程(方程(5)),磨损系数计算。为此,有必要确定的体积磨损的材料,这是获得使用方程(6)。 在哪里磨损系数、V(毫米³)是最柔软的材料的磨损体积,H (GPa)样品的硬度,L (N)标本上的力,x(米)是线性磨损值,mi和mf代表,分别的初始和最终值样本的质量分析。

图9显示了穿MetaCeram涂料的追踪。可以看到恶化了这些涂料由于磨损测试。损伤记录的类型相似的涂料,独立的氧气流的沉积。在图形、浅槽的存在microplowing机制的产物,是显而易见的。这些皱纹产生的位移,后来积累材料的磨料粒子的前面。颗粒WC / Co MetaCeram涂层的金属镍矩阵作为蓄电池的分离材料,甚至磨料。这种材料在特定区域的累积会引起应力集中,导致涂层的韧性的塑性变形区域,这是那些镍的浓度是主要的。microplowing机制记录在图表恶化区域1和2,突出的围和矩形;同样,区哪里有塑性变形与数字3和突出显示一个椭圆。

曲线图还记录微裂隙的形成,主要地区丰富的WC / Co。这是由于脆弱的WC / Co颗粒和磨料的高表面张力引起的滑动(砂),这些粒子,acumulation生产地区,研磨和分离材料,增加净压力coating-substrate相间。图9(c)显示了骨折发生在单个颗粒构成的区域丰富的WC /公司,后一条线的断裂边界这些单独的结构,它允许我们来推断一个凝聚力失败。也可以看到这些地区的裂缝传播的金属基涂层。这些结果与报道的协议St-Georges [24),他发现了一个磨损金属粘结剂的去除机理矩阵在镍铬+ WC涂层,也记录小碎片的WC粒子的证据。同样,Liyanage et al。25)记录了裂纹扩展的现象Ni-WC WC附聚物的涂料。裂缝的几何报道这些作者的同时,在目前的调查报告。

表5记录了磨料磨损参数获得MetaCeram涂料。结果显示一个较低程度的磨损比灰色的底物。这是由于存在的WC / Co系统在金属镍矩阵MetaCeram涂料。磨损率和磨损系数记录显示与涂层的硬度和孔隙度关系密切。图10显示了显微硬度的变化的函数的磨损率和孔隙度MetaCeram涂料。

这个图显示了一个清楚,减少显微硬度和磨损率之间的关系。这些结果同意被Liyanage et al .,报道分析Ni-WC涂料的耐磨料磨损(25]。这些作者发现之间的密切关系涂层的显微硬度和耐磨性;然而,重要的是要注意,磨损率与涂料的整体硬度,由平均WC颗粒含量的影响,这些粒子表面上的分布。磨损率增加显著当WC粒子之间的平均自由程超过114μm。这是因为更大的WC粒子之间的距离产生的金属镍矩阵的一个重要部分表面的磨损在直接接触(磨砂粒子26- - - - - -28]。

另一方面,在图中可能磨损率和孔隙度之间的关系不成立,因为磨损率的值只显示一个明显的变化在涂料0.42%孔隙度(29日- - - - - -31日]。

4所示。结论

MetaCeram涂层沉积作为火焰的氧含量的函数通过喷雾融合技术对灰口铸铁显示以下特点。(我)涂料展览的显微硬度值接近理论值,与涂层沉积在高流量氧气的火焰展览显微硬度最低。(2)氧含量最低的火焰产生10 nm的晶粒尺寸,导致涂层显微硬度低;流的涂料沉积14和16 SCFH缺氧表现出较高的显微硬度。(3)涂层的孔隙度随氧气流,产生显微硬度降低。(iv)对于所有的氧气流的存款用于涂料、内聚力和粘附磨损机制同时存在。(v)涂料的稳定区域,咖啡是获得最低的涂层沉积与14 SCFH氧气流。(vi)脱碳过程的负面影响MetaCeram涂料的力学和摩擦学性能,同时由于减少硬度由于退化WC的W₂C和金属W以及孔隙度的增加由于柯肯特尔效应。(七)磨损试验表明磨损机制由于附着力,磨损,主要是和氧化物的形成。这些机制直接回应镍的金属基体的塑性特性的涂料和脆弱的WC /陶瓷有限公司,是主要骨料MetaCeram涂层。在这工作,可以确定晶体MetaCeram涂料的性质的关系,磨损率。同样地,地形的影响涂层的耐磨性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢COLCIENCIAS提供财政支持项目“Caracterizacion estructural y quimica mediante hac de离子de recubrimientos nanoestructurados con aplicaciones tecnologicas”和所de哥伦比亚。

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