摩擦磨损测试

图3-18为激光热输入分别为50.0J/mm、64.4J/mm和81.3J/mm所得熔覆层及基体进行耐磨试验时获得的摩擦曲线。摩擦试验的基本参数为载荷25N，转速400r/min，摩擦时间为30min。从图3-18可以看出，摩擦过程分为3个阶段：第一阶段为“跑合”阶段，随着摩擦时间的增加摩擦系数迅速增加；第二阶段为过渡阶段，随着时间的增加摩擦系数上升速度减缓；第三阶段为稳定磨损阶段，摩擦系数随着时间的增加基本保持稳定。出现跑合阶段的原因是因为在刚开始磨合时，对磨材料有一定的粗糙度，随着摩擦过程的进行，磨球与基体的实际接触面积不断增加，粘着磨损变得严重，导致了摩擦系数的不断增加，由于基体材料的硬度（207.5HV0.2）远远低于陶瓷Al2O3的硬度，很容易发生粘着磨损，而此阶段的摩擦系数的波动主要与粘着磨损相关，所以相对于非晶复合熔覆层的磨损跑合阶段上升的摩擦系数较大。又由于非晶复合熔覆层中存在着NbC硬质相和非晶相，其具备较高的硬度和弹性模量，接触时会产生很高的弹性应力，当应力消除之后，产生的弹性应力能使粘着结合分开，所以复合熔覆层在跑合阶段的粘着磨损很小，其摩擦系数变化也很小。由此可知，母材的磨损系数值最高，由于母材的硬度值以及强度不高，而非晶复合熔覆层的摩擦系数相对较低。还可看出，随着激光熔覆热输入的降低，非晶相含量逐渐增加，熔覆层硬度值和强度越高，塑性变形抵抗能力越强，越不容易发生粘着磨损，摩擦系数也就越低且越趋于稳定。

图3-18 基体和不同热输入熔覆层摩擦系数

图3-19是在摩擦时间为30min、转速为400r/min以及载荷为25N时针对不同热输入条件下所获得熔覆层经过摩擦磨损试验后的磨损失重。由图3-19可以看出，所获得激光熔覆层的失重都比较小，说明所获得的熔覆层具有良好的耐磨性。另外还可看出，随着热输入的降低，熔覆层的磨损量逐渐减少，说明熔覆层的耐磨性能得到提高。而热输入的降低会使得熔覆层所获得的非晶体积含量增加，熔覆层硬度增加，有利于提高材料的耐磨性能。材料的耐磨性能主要取决于其硬度和韧性，根据第3章的研究可知，当熔覆层在热输入较小时所得的熔覆层其裂纹数量小于热输入较大时的裂纹数量，并且在前节中的结果表明，热输入较小时的熔覆层具有最高的平均硬度值，也就是说当激光热输入小时所获得的熔覆层具有良好的硬度和韧性的统一，因此在摩擦磨损试验时其抵抗变形的能力和防止脱落产生的能力都得到了提高，因此其耐磨性能得到了很大提高。当激光熔覆热输入为50.0J/mm时，在同样的摩擦条件下，熔覆层经摩擦试验后其失重为最小，仅为0.0015g。

图3-19 基体和不同热输入熔覆层磨损量

图3-20是在摩擦时间为30min、转速为400r/min以及载荷为25N时激光熔覆热输入不同时所获得熔覆层经过摩擦磨损试验后的磨痕形貌。由图3-20（a）可以看出，当热输入为131.3J/mm时，此时经过摩擦磨损试验得到的熔覆层磨痕较宽，且深浅不一，部分磨痕宽而深。在磨损过程中，其摩擦副表面的Al2O3凸起物和基材表面相互作用时起到了切削的效果［107，108］，又由于熔覆层的硬度较低，抗剪能力较弱，熔覆层产生大块的材料流失，因此出现了较宽和深浅不一的犁沟。并且在部分位置发生了材料剥离的现象，属于典型的剥离和粘着磨损机制。当热输入小于64.6J/mm时，熔覆层表面的磨损较为平滑，存在较浅的犁沟。而热输入降低为50.0J/mm时，熔覆层的磨损面的磨痕变得浅而细，如图3-20（f）所示，属于典型的磨粒磨损机制。根据磨痕的深浅可以得出，在同样的摩擦磨损试验条件下，随激光熔覆热输入的降低，熔覆层的磨痕逐渐变浅，耐磨性能得到提高。

图3-20 不同热输入熔覆层的磨损形貌

（a）131.3J/mm （b）81.3J/mm （c）64.6J/mm （d）54.7J/mm （e）52.5J/mm （f）50.0J/mm

结合前文扫描电镜微观组织分析、XRD相组成分析和显微硬度分析，以及摩擦系数曲线、磨损失重和磨损形貌等试验结果，可以发现采用激光熔覆工艺制备镍基非晶复合熔覆层，随着热输入的降低，熔覆层中的非晶体积含量增加，使获得熔覆层表面的硬度远远高于基体且随着热输入的降低呈上升趋势，熔覆层的耐磨性也随之得到不断改善，摩擦系数和失重逐渐减小，磨痕变浅。

图3-21是NbC颗粒非晶复合熔覆层的摩擦磨损形貌和对应点的能谱分析结果。其中图3-21（a）、（b）是NbC颗粒非晶复合熔覆层的摩擦磨损形貌，并对图3-21（a）和图3-21（b）中的A区和B区进行能谱分析，其测试结果如表35所示，可以看出此处获得颗粒的主要成分为Nb元素，说明图3-21（a）、（b）中的白色颗粒为NbC相。另外，从图3-21（a）中可以看出此区域的磨损形貌比较光滑，仅出现少量的犁沟和脱落现象。另外从图中箭头A所指位置所示，在摩擦磨损过程中犁沟滑移延伸的方向在遇到白色颗粒NbC相时被迫改变，同时NbC颗粒相也能阻止犁沟的继续延伸，图3-21（b）箭头位置所示，呈现相同的规律。由此可以说明，在非晶复合熔覆层中，嵌在非晶基体中的NbC颗粒相由于具有较高的硬度（数值为2300HV），可在摩擦磨损试验过程中阻止磨球Al2O3对熔覆层表面的切削，另外，由于NbC增强相的存在，阻碍了涂层基底的塑性形变，从而提高了熔覆层的耐磨性。

图3-21 NbC颗粒非晶复合熔覆层的摩擦磨损形貌

表3-5 摩擦磨损表面A区和B区的成分（原子百分比）