摩擦磨損是自然界的一種普遍現象。摩擦是兩配合表面之間由于微區接觸而產(chǎn)生的原子或分子間的相互作用所引起的阻礙其相對運動(dòng)的現象；而磨損是指兩配合表面的物質(zhì)由于相對運動(dòng)而不斷損失的現象。只要存在物體表面間的相對運動(dòng)就必然會(huì )出現摩擦，有摩擦就必然伴隨著(zhù)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。但由于磨損原因的復雜性和磨損類(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構相比，熱噴涂涂層結構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構，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)孔隙結構不僅有利于零件表面潤滑膜的保持，而且能夠容納磨損產(chǎn)生的碎屑，對提高零件表面的耐磨性能有利。
     根據摩擦表面的磨損過(guò)程及其破壞機理，可將磨損分為磨料磨損、粘著(zhù)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(zhù)磨損和磨料磨損的綜合。各類(lèi)磨損的特點(diǎn)及其對涂層材料的性能要求見(jiàn)表所示。

磨損種類(lèi)、特點(diǎn)及其對涂層性能的要求

     1．耐磨涂層性能要求
     對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。根據耐磨涂層的應用不同，涂層硬度、化學(xué)穩定性、涂層屈服強度、抗裂紋生核與長(cháng)大的能力等因素都影響涂層的耐磨性能。
     （1）涂層結合強度要求。對耐磨涂層的首要要求就是確保涂層與基體有足夠的結合強度，為此，基體材料與涂層材料的選擇與設計應以確保涂層牢固結合為前提。
      1）基體應無(wú)變形。當耐磨涂層用于高負荷工況時(shí)，基體應有足夠的硬度和屈服強度，以支承涂層不發(fā)生變形。
      2）涂層與基體材料的彈性模量匹配性? 在彈性應變情況下，如果涂層與基體的彈性模量不匹配，在負載時(shí)就會(huì )在涂層與基體的界面處產(chǎn)生陡變式的應力。若涂層的剛性大于基體，涂層中的應力就會(huì )增大。隨著(zhù)載荷和涂層與基體的彈性模量差別增大，應力增大。
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

      3）涂層與基體材料的剛性匹配。要使硬質(zhì)耐磨涂層具有較長(cháng)的使用壽命，涂層與基體材料的剛性應有合理的匹配。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 )使涂層中的拉應力增大，導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。
     4）熱膨脹系數的匹配性。如果涂層與基體材料的熱膨脹系數不匹配，就會(huì )因體積變化而產(chǎn)生應力。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)生的熱應力基本上都集中在涂層中。熱膨脹系數差別越大，涂層中的應力就會(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)乐啬p就發(fā)生過(guò)早剝落失效的主要原因之一。
表列出了一些碳化物、氮化物涂層材料與鋼的熱膨脹系數。

碳化物、氮化物涂層材料與鋼的熱膨脹系數

     當基體的熱膨脹系數大于涂層的熱膨脹系數時(shí)，在升高溫度時(shí)產(chǎn)生的應力為拉應力；反之，若涂層的熱膨脹系數大于基體時(shí)，則為壓應力。由表可以看出，大多數碳化物、氮化物及金屬陶瓷涂層的熱膨脹系數均小于鋼，只有TiN、NbN和Cr3C2的熱膨脹系數比較接近于高速鋼的熱膨脹系數，但差別仍不小。
      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)結合能力直接影響涂層與基體之間的結合強度。通常，一種化合物在另一種化合物中的固溶度低時(shí)，它們之間的結合強度也弱。只有當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)，涂層與基體的結合強度才最大，才能充分發(fā)揮耐磨涂層的作用。
     （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合條件下，才能進(jìn)一步提出對涂層耐磨性的要求，這主要包括如下一些內容。
      1）涂層硬度。提高涂層硬度，有利于增大涂層的屈服強度，防止發(fā)生變形；涂層硬度增高，抗磨料磨損性能增強，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，涂層硬度應盡可能的高。而在滑動(dòng)磨損情況下，應考慮使用韌性強的具有單相結構的軟涂層，但不能有第二相硬質(zhì)顆粒存在，否則將引起嚴重的磨料磨損。
      2）耐高溫磨損性能。當硬質(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）涂層顆粒之間的結合強度高。硬質(zhì)涂層顆粒之間應具有高的結合強度。例如，WC-Co金屬陶瓷涂層是很著(zhù)名的耐磨涂層材料，鈷對碳化鎢等硬質(zhì)顆粒的潤濕性極好，因而使碳化鎢顆粒能牢固的粘結在一起，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。
      2．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)等級進(jìn)行定性評價(jià)的話(huà)，其結果如表所示。其中，1級表示該涂層的耐磨損性能或耐腐蝕性能最差，10級表示該涂層的耐磨損性能或耐腐蝕性能最優(yōu)。

耐磨涂層噴涂材料選擇表

      依據耐磨涂層使用環(huán)境的差異，應選擇不同的噴涂材料及噴涂工藝，例如：
     （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。具體應用零件如：巴氏合金軸承、水壓機軸套、止推軸承瓦、壓縮機十字滑塊等。
     （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)調整性不重要的部位，以及潤滑受限的部位。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Mo以及Mo加自熔合金等。具體應用零件如：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)燃料泵轉子等。
    （3）耐磨粒磨損涂層。當使用溫度低于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、T8鋼以及自熔合金加Co/WC混合粉。具體應用零件如：泥漿泵活塞桿、拋光桿襯套、混凝土攪拌機的螺旋輸送器、煙草磨碎錘、芯軸、磨光拋光夾具等。
     當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、鈷基噴涂材料(如鈷基Cr，Ni，W合金粉，Ni/Al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)負荷時(shí)，若溫度低于760℃，自熔合金最好；而當侵蝕嚴重時(shí)，最好采用Cr3C2；如主要用于抗氧化，則可采用鐵、鎳、鈷基涂層。
     （4）耐硬面磨損涂層。當使用溫度小于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。具體應用零件如拉絲絞盤(pán)、制動(dòng)器套筒、撥叉、塞規、軋管定徑穿孔器、擠壓膜、導向桿、漿刀、滾筒、刀片軋碎機、纖維導向裝置、成型工具和泵密封圈等。
      當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。當溫度低于760℃且有沖擊負荷時(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。具體應用零件如：鍛造工具、熱破碎輥、熱成型模具等。
      （5）耐微振磨損涂層。由于磨損通常是由不可預計的微振引起的，所以當使用溫度小于540℃時(shí)，應選韌性較好的涂層，如自熔合金、氧化物、碳化物金屬陶瓷、某些Ni，Fe，Co基噴涂材料和有色金屬等。具體應用零件如，伺服馬達樞軸、凸輪隨動(dòng)件、搖臂、汽缸襯套、防氣圈、導葉、螺旋槳加強桿等。
      當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。具體應用零件如：噴氣式發(fā)動(dòng)機的渦輪機氣密圈、氣密環(huán)、氣密墊圈和渦輪葉片等。
      （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Al9.5%、Fe1%的銅合金、含Ni38%的銅合金、自熔合金加Ni/Al混合粉、316型不銹鋼、超細的Al2O3及純Cr2O3等，且所有的涂層都應該經(jīng)過(guò)密封處理。具體應用零件如：水輪機葉片、耐磨環(huán)、噴頭和柴油機氣缸襯套等。
     （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、自熔合金加細銅混合粉、高Cr不銹鋼粉、超細Al2O3粉、純Cr2O3粉、Al2O387%+TiO2l3%復合粉和Co/WC復合粉。具體應用零件如：抽風(fēng)機、水電閥和旋風(fēng)除塵器等。

      3．耐磨涂層噴涂參數設置
      采用美國Praxair公司生產(chǎn)的JP5000型超音速火焰噴涂設備噴涂耐磨涂層時(shí)，其參數設置如表所示。

JP5000噴涂各種耐磨涂層參數選擇表

      由于超音速火焰噴涂有其自身的特點(diǎn)，在實(shí)際噴涂過(guò)程中要注意以下兩點(diǎn)：①因為超音速火焰噴涂輸入到基體的熱量較大，一定要嚴格控制冷卻措施，以免發(fā)生基體過(guò)熱、變形等導致工件報廢的現象；②要特別注意不噴涂部位的遮蔽保護，由于在超音速火焰噴涂工藝中，噴涂粒子并未加熱至完全熔化狀態(tài)，粒子具有一定的剛性，且飛行速度較高，遠遠超過(guò)常規等離子噴涂工藝中的粒子飛行速度，采用常用的防粘涂料及防遮蔽膠帶方法已不能滿(mǎn)足遮蔽要求，而必須采用薄鐵皮或薄銅皮捆扎遮蔽法。
      4．耐磨涂層后加工
      對于耐磨涂層來(lái)講，磨削是唯一切實(shí)可行的精加工方法。由于涂層顆粒之間的結合主要依靠機械鑲嵌結合，且含有一定的孔隙，從磨削的觀(guān)點(diǎn)看，熱的轉移比較緩慢，常規致密材料的磨削加工方法并不適用于涂層材料的磨削加工。如果磨削壓力過(guò)大或速度過(guò)快，可能造成涂層表面顆粒發(fā)生轉移或被移動(dòng)，從而導致涂層內部顆粒發(fā)生脫落，甚至導致整個(gè)涂層從基體剝離。決定磨削加工工藝方法的因素包括：涂層類(lèi)型、工件形狀、要求光潔度和公差等。
      一般來(lái)講，噴涂粉末越細、涂層孔隙率越低、涂層越均勻，磨削加工后的光潔度越好。
      選擇砂輪時(shí)應考慮涂層種類(lèi)、硬度、工件大小與形狀、磨削量、表面光潔度要求、磨床類(lèi)型等因素。一般遵循以下原則：
     （1）盡可能選用最銳利的砂輪，這種砂輪切削速度快，不易過(guò)熱。砂輪銳利程度與砂輪所用磨粒的類(lèi)型及粒度有關(guān)。對于磨削耐磨涂層的砂輪來(lái)講，常用的磨粒是碳化硅和金剛石。這是因為碳化硅磨粒在磨削時(shí)發(fā)生破裂后會(huì )呈現新的銳利的切削刃，而金剛石磨粒具有良好的耐久性，能干凈地磨削各種硬質(zhì)耐磨涂層。當磨粒粒度較小時(shí)，不僅具有較小的表面積，而且切削刃較銳利，比粗磨粒更容易陷入涂層內部，從而獲得較高的光潔度。一般來(lái)講，用于耐磨涂層粗磨的磨粒粒度在125-150目，用于細磨的粒度在380-400目。
     （2）所選砂輪內部結構及其硬度級別要能夠提供自由磨削的效果。砂輪內部結構是指砂輪內部各個(gè)磨粒之間的間距，具有多孔結構的砂輪，其磨削效果更佳，這是由于顆粒間造成的間隙能夠提供更大的存屑空隙造成的。砂輪硬度不同也會(huì )影響耐磨涂層磨削效果，較硬砂輪比較軟砂輪具有更長(cháng)的使用壽命。當磨削應力較小、接觸面積較大及磨削速度較高時(shí)，推薦采用較軟的砂輪；當磨削應力較大、光潔度要求較高、接觸面積較小及砂輪較窄時(shí)，推薦采用較硬砂輪。
     (3）選擇最適合的砂輪粘結類(lèi)型。常用砂輪粘結劑有兩種，即陶瓷粘結劑和樹(shù)脂粘結劑。采用陶瓷粘結劑的砂輪能夠承受較高的磨削速度和精確的配合公差，且不受水、酸、油及溫度變化的影響，但要求磨床轉速要小于砂輪的安全操作速度，一般小于33米/秒。而采用樹(shù)脂粘結劑的砂輪，可用于更高的磨削速度，并產(chǎn)生更高的光潔度。
      針對JP5000噴涂的WC類(lèi)耐磨涂層，推薦磨削工藝如下：
     1) 采用精密、高質(zhì)量的磨削設備；
     2) 選用水溶性冷卻介質(zhì)淋洗；
     3) 選用樹(shù)脂粘結金剛石砂輪，當工件外徑小于50mm時(shí)，選用φ500的砂輪；當工件外徑大于50mm時(shí)，選用φ762的砂輪；
     4) 采用兩步法進(jìn)行磨削，第一步：進(jìn)行粗磨，其磨削參數為：磨粒粒度125-150目；砂輪轉速25-30m/s；工件轉速0.3m/s；磨削深度<0.01mm；移動(dòng)速度0.2-0.3m/min，縱向進(jìn)磨量0.025-0.05mm；第二步：進(jìn)行細磨，其磨削參數為：磨粒粒度380-400目；砂輪轉速25-30m/s；工件轉速0.5m/s；磨削深度<0.005mm；移動(dòng)速度0.05-0.1m/s，縱向進(jìn)磨量0.025~0.05mm。
     在磨削過(guò)程中，砂輪磨削面的狀況會(huì )發(fā)生變化，使用一段時(shí)間后，不是發(fā)生砂輪面的砂粒被磨損掉，使得磨粒的高度與粘結劑高度相等，就是發(fā)生砂輪面被磨削材料所填充，這兩種情況都會(huì )削弱砂輪的磨損能力，導致摩擦（擦光）多于磨削，此時(shí)，應對砂輪進(jìn)行修整或更換新的砂輪。當采用金剛石工具修整砂輪時(shí)，工具經(jīng)過(guò)砂輪表面的橫移速度影響砂輪的最終切削作用，快速橫移能打開(kāi)砂輪面，使磨粒重新變鋒利，從而提高砂輪磨削能力；與此相反，當橫移較慢時(shí)，會(huì )導致砂輪面封閉，使磨粒鈍化并引起砂輪變硬，對熱噴涂耐磨涂層，不推薦使用慢速修整法。所以，在使用金剛石砂輪磨削耐磨涂層時(shí)，保持砂輪鋒利非常重要，有利于獲得較高的表面光潔度。
      對耐磨涂層的磨削一般推薦采用濕式磨削，如果采用適當的保護措施，也可采用干磨削。但是，濕磨削的優(yōu)點(diǎn)要遠遠大于干磨削。濕磨削時(shí)，可以使用較硬的砂輪，且不會(huì )增加爆皮或熱裂的發(fā)生率，使表面顆粒的脫出減至最少，并且得到的表面光潔度較好，砂輪不會(huì )很快被填塞，需要的修整次數也會(huì )少。此外，濕磨削還有助于沖洗掉磨屑殘渣。磨削液的過(guò)濾和合適的濃度對表面光潔度也有影響。
      總之，只要在磨削加工過(guò)程中仔細操作，就可以獲得具有良好光潔度的耐磨涂層表面。下面是確定耐磨涂層磨削工藝時(shí)需要考慮的一些因素。
      1）使用較軟的、自由磨削的砂輪，可大大減少擦光和磨粒脫出的機會(huì )；
      2）保持砂輪面清潔、鋒利；
      3）采用正確的砂輪修整工藝；
      4）進(jìn)行粗磨時(shí)盡量選用粗粒度砂輪，進(jìn)行精磨時(shí)要選用細粒度砂輪，如果想用粗砂輪來(lái)獲得好的表面光潔度，可能導致磨粒脫出、污染或燒焦；
      5）使用輕磨削。耐磨涂層通常較薄，過(guò)大的磨削壓力可能引起涂層表面分層或表面顆粒脫出；
      6）進(jìn)行最后一道磨削工序時(shí)應采用無(wú)火花磨削，否則會(huì )導致砂輪面鈍化或釉光；
      7）始終保持涂層受壓，通過(guò)噴涂面向基體下切才能使分層和顆粒脫出限制到最??；
      8）磨削工藝優(yōu)化處理。磨削參數變化對磨削速度和光潔度有較大影響，耐磨涂層表面光潔度在很大程度上取決于所選用的磨削工藝。當給定砂輪存在問(wèn)題時(shí)，應進(jìn)行砂輪速度、進(jìn)給速度、工件速度及修整工藝。

文章轉載自微信公眾號：熱噴涂