摩擦磨损是自然界的一种普遍现象摩擦是两配合表面之间由于 微区接触而产生的原子或分子间的相互作用所引起嘚阻碍其相对运动的现象；而磨损是指两配合表面的物质由于相对运动而不断损失的现象。只要存在物体表面间的 相对运动就必然会出现摩擦有摩擦就必然伴随着磨损，可产生磨损的工作条件包括滑动、微振、冲击、擦伤、侵蚀等但由于磨损原因的复杂性和磨损类型的鈈确 定性，在进行耐磨涂层选择时必须分析清楚零部件的工作环境。采用热喷涂技术可以增大软基体或已经发生磨损的基体的耐磨损性能

图（1）北京耐默公司热喷涂设备，可以喷涂陶瓷、碳化钨、合金等

一般来说与同 类材料的铸造或锻造结构相比，热喷涂涂层结构具囿更高的耐磨性能这是由于在热喷涂过程中粒子经受高速淬火以后，形成了具有一定孔隙的特殊结构在金属涂 层中，变形粒子周围还會形成少量氧化物涂层所具有的微观孔隙结构不仅有利于零件表面润滑膜的保持，而且能够容纳磨损产生的碎屑对提高零件表面的耐磨性 能有利。

根据摩擦表面的磨损过程及其破坏机理可将磨损分为磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损和高温磨损，高温磨损实质上是粘着磨损和磨料磨损的综合各类磨损的特点及其对涂层材料的性能要求见表所示。

磨损种类、特点及其对塗层性能的要求

对的要求取决于耐磨涂层與基体材料的力学匹配性、化学匹配性、施加载荷的方向和大小以及涂层本身的性能根据耐磨涂层的应用不同，涂层硬度、化学稳定性、涂层屈服强度、抗裂纹生核与长大的能力等因素都影响涂层的耐磨性能
（1）涂层结合强度要求。对耐磨涂层的首要要求就是确保涂层與基体有足够的结合强度为此，基体材料与涂层材料的选择与设计应以确保涂层牢固结合为前提
1）基体应无变形。当耐磨涂层用于高負荷工况时基体应有足够的硬度和屈服强度，以支承涂层不发生变形
2）涂层与基体材料的弹性模量匹配性? 在弹性应变情况下，如果涂層与基体的弹性模量不匹配在负载时就会在涂层与基体的界面处产生陡变式的应力。若涂层的刚性大于基体涂层中的应力就会增大。隨着载荷和涂层与基体的弹性模量差别增大应力增大。
表列出了高速钢与碳化物的弹性模量
高速钢与碳化物的弹性模量

图（2）采用高溫工艺加工出来的合金涂层，硬度可以达到HV1100以上碳化钨含量是60以上

3）涂层与基体材料的刚性匹配。要使硬质耐磨涂层具有较长的使用寿命涂层与基体材料的刚性应有合理的匹配。如果在刚性小的基体材料上沉积刚性高的涂层由于刚性不匹配，就会使涂层中的拉应力增夶导致在涂层中形成裂纹并波及到基体，从而引起涂层发生早期破坏
4） 热膨胀系数的匹配性。如果涂层与基体材料的热膨胀系数不匹配就会因体积变化而产生应力。通常涂层与基体相比是很薄的，因此基体的热膨胀基本上不受涂 层热膨胀的影响，而涂层的热膨胀則强烈的受到基体热膨胀的影响涂层与基体由于热膨胀不匹配而产生的热应力基本上都集中在涂层中。热膨胀系数差别越大涂 层中的應力就会越大，产生裂纹甚至剥落的倾向性就越大这就是许多耐磨涂层尚未遭受严重磨损就发生过早剥落失效的主要原因之一。
表列出叻一些碳化物、氮化物涂层材料与钢的热膨胀系数
碳化物、氮化物涂层材料与钢的热膨胀系数

当基体的热膨胀系数大于涂层的热膨胀系數时，在升高温度时产生的应力为拉应力；反之若涂层的热膨胀系数大于基体时，则为压应力由表可以看出，大 多数碳化物、氮化物忣金属陶瓷涂层的热膨胀系数均小于钢只有TiN、NbN和Cr3C2的热膨胀系数比较接近于高速钢的热膨胀系数，但差别仍不小
5） 涂层与基体材料之间嘚亲和力。涂层与基体之间的亲和力即化学结合能力直接影响涂层与基体之间的结合强度通常，一种化合物在另一种化合物中的固溶度低时 它们之间的结合强度也弱。只有当涂层与基体之间具有最大的化学亲和力而又不会产生脆性界面相时涂层与基体的结合强度才最夶，才能充分发挥耐磨涂层的作 用
（2) 涂层耐磨性要求。在前述必须确保涂层与基体有足够牢固的结合条件下才能进一步提出对涂层耐磨性的要求，这主要包括如下一些内容
1） 涂层硬度。提高涂层硬度有利于增大涂层的屈服强度，防止发生变形；涂层硬度增高抗磨料磨损性能增强，涂层的磨料磨损速率与涂层硬度成反比若涂层硬度 超过磨料颗粒的硬度，磨料磨损速率急剧下降因此，在磨料磨损嘚工况下涂层硬度应尽可能的高。而在滑动磨损情况下应考虑使用韧性强的具有单相结构的软 涂层，但不能有第二相硬质颗粒存在否则将引起严重的磨料磨损。
2）耐高温磨损性能当硬质涂层用作耐高温磨损涂层时，不仅要求具有良好的高温红硬性即具有高的高温硬度，而且涂层与对偶摩擦材料之间的化学溶解度要小
3）耐腐蚀磨损性能。耐磨涂层在腐蚀性介质中的耐磨性能还取决于涂层在化学介質中的耐蚀性能许多硬质涂层都具有优异的耐蚀性，特别是氧化物和碳化物等陶瓷涂层是很好的耐腐蚀磨损涂层材料
4） 涂层颗粒之间嘚结合强度高。硬质涂层颗粒之间应具有高的结合强度例如，WC-Co金属陶瓷涂层是很著名的耐磨涂层材料钴对等硬质颗粒的润湿性极 好，洇而使碳化钨颗粒能牢固的粘结在一起不会发生剥落，在这种前提条件下才能充分发挥碳化钨硬质相的高耐磨特性。
显然耐磨涂层嘚成功应用既取决于涂层本身的耐摩擦磨损特性，还取决于涂层与基体之间性能的合理匹配
2．耐磨涂层喷涂材料选择
在 某些情况下，要求涂层既具有良好的耐磨损性能也要具有非常优良的耐腐蚀特性例如，在石油、化工、海洋性气氛等环境介质中工作的零部件如果将塗层耐磨损 性能及耐腐蚀性能分为十个等级进行定性评价的话，其结果如表所示其中，1级表示该涂层的耐磨损性能或耐腐蚀性能最差10級表示该涂层的耐磨损性能或耐 腐蚀性能最优。
? 耐磨涂层喷涂材料选择表

依据耐磨涂层使用环境的差异应选择不同的喷涂材料及喷涂工藝，例如：
（1）软支承用涂层这类涂层允许磨粒嵌入，也允许变形以调整轴承表面喷涂材料多为有色金属，如铝青铜、磷青铜、巴氏匼金和锡涂层等具体应用零件如：巴氏合金轴承、水压机轴套、止推轴承瓦、压缩机十字滑块等。
（2） 硬支承用涂层硬支承表面通常茬高载荷和低速度工况条件下工作，该类支承一般用于可嵌入性和自动调整性不重要的部位以及润滑受限的部位。喷涂材料可选用 镍基、铁基自熔合金、氧化物和碳化物陶瓷（如Al2O3-TiO2Co-WC等）、难熔金属Mo以及Mo加自熔合金等。具体应用零件如：冲床减震器曲 轴、防擦伤轴套、方向舵轴承、涡轮轴、主动齿轮轴颈和活塞环燃料泵转子等
（3）耐磨粒磨损涂层。当使用温度低于540℃时涂层要能经受外来 磨料颗粒的切削囷犁沟作用，涂层硬度应超过磨粒硬度；涂层材料可选用自熔合金加Mo或Ni/Al混合粉、高铬不锈钢、Ni/Al丝、T8钢以及自熔合金加 Co/WC混合粉具体应用零件如：泥浆泵活塞杆、抛光杆衬套、混凝土搅拌机的螺旋输送器、烟草磨碎锤、芯轴、磨光抛光夹具等。
当耐磨粒磨损涂 层的使用温度在538-843℃之间时涂层要求在高温下有超过磨粒的硬度，还必须要有良好的抗氧化性可采用铁基、镍基、钴基喷涂材料(如钴基 Cr，NiW合金粉，Ni/Al丝奥氏体低碳不锈钢，镍、钴自熔合金等)以及Cr3C2金属陶瓷粉；在受冲击或振动负荷时若温度低于760℃，自熔 合金最好；而当侵蚀严重时最恏采用Cr3C2；如主要用于抗氧化，则可采用铁、镍、钴基涂层
（4）耐硬面磨损涂层。当使用温度小于538℃ 时磨损是由于硬面在较软表面上滑動时，硬的凸出部分使软表面开槽而导致刮出碎屑此碎屑具有同磨粒一样的作用，这种情况下要求涂层要比配对表面硬可采 用某些铁基、镍基、钻基喷涂材料、自熔合金、有色金属(例如加铁铝青铜)、氧化物陶瓷、碳化钨及某些难熔金属涂层材料。具体应用零件如拉丝绞盤、制动器套 筒、拨叉、塞规、轧管定径穿孔器、挤压膜、导向杆、浆刀、滚筒、刀片轧碎机、纤维导向装置、成型工具和泵密封圈等 

圖（3）采用碳化钨涂层制作的拉丝轮，耐磨性提高到10倍以上 当耐硬面磨损涂层的使用温度 在540-815℃时虽基本情况与以上相同，但由于磨损在高温下会加剧进行；所以须采用钻基自熔合金、Ni/Ai及碳化铬涂层材料。当温度低于 760℃且有冲击负荷时宜选用自熔合金；温度更高时宜选鼡Cr3C2涂层；以抗氧化为主则选Ni/Al等。具体应用零件如：锻造工具、热破碎辊、热成型 模具等
（5）耐微振磨损涂层。由于磨损通常是由不可预計的微振引起的所以当使用温度小于540℃时，应选韧性较好的涂层如自熔合金、氧化 物、碳化物金属陶瓷、某些Ni，FeCo基喷涂材料和有色金属等。具体应用零件如伺服马达枢轴、凸轮随动件、摇臂、汽缸衬套、防气圈、导叶、螺旋桨加 强杆等。
当耐微振磨损涂层的工作温喥在538-843℃时由于工作温度较高，可采用特定的铁基、镍基、钴基材料及金属碳化铬陶瓷材料具体应用零件如：喷气式发动机的涡轮机气密圈、气密环、气密垫圈和涡轮叶片等。
（6） 耐气蚀涂层因涂层要承受液体流中的气体冲击，故要求涂层具有良好的韧性、高的耐磨性、耐流体腐蚀、无脆性可用Ni基自熔合金、含Al9.5%、 Fe1%的铜合金、含Ni38%的铜合金、自熔合金加Ni/Al混合粉、316型不锈钢、超细的Al2O3及纯Cr2O3等，且所有的涂层都應该经过密封 处理具体应用零件如：水轮机叶片、耐磨环、喷头和柴油机气缸衬套等。
（7）这些涂层要能经受尖锐的、硬颗粒引起的磨损。可采 用几种Ni基自熔合金粉、自熔合金加细铜混合粉、高Cr不锈钢粉、超细Al2O3粉、纯Cr2O3粉、Al2O387%+TiO2l3%复合粉和 Co/WC复合粉具体应用零件如：抽风机、水電阀和旋风除尘器等。 3．耐磨涂层喷涂参数设置
采用美国Praxair公司生产的JP5000型超音速火焰喷涂设备喷涂耐磨涂层时其参数设置如表所示。
JP5000喷涂各种耐磨涂层参数选择表

由于超音速火焰喷涂有其自身的特点在实际喷涂过程中要注意以下两点：①因为超音速火焰喷涂输入到基体的熱量较大，一定要严格控制冷却措施以免发 生基体过热、变形等导致工件报废的现象；②要特别注意不喷涂部位的遮蔽保护，由于在超喑速火焰喷涂工艺中喷涂粒子并未加热至完全熔化状态，粒子具有一定 的刚性且飞行速度较高，远远超过常规等离子喷涂工艺中的粒孓飞行速度采用常用的防粘涂料及防遮蔽胶带方法已不能满足遮蔽要求，而必须采用薄铁皮或薄铜 皮捆扎遮蔽法
对于耐磨涂层来讲，磨削是唯一切实可行的精加工方法由于涂层颗粒之间的结合主要依靠机械镶嵌结合， 且含有一定的孔隙从磨削的观点看，热的转移比較缓慢常规致密材料的磨削加工方法并不适用于涂层材料的磨削加工。如果磨削压力过大或速度过快可能造成 涂层表面颗粒发生转移戓被移动，从而导致涂层内部颗粒发生脱落甚至导致整个涂层从基体剥离。决定磨削加工工艺方法的因素包括：涂层类型、工件形状、偠求 一般来讲喷涂粉末越细、涂层孔隙率越低、涂层越均匀，磨削加工后的光洁度越好
选择砂轮时应考虑涂层种类、硬度、工件大小與形状、磨削量、表面光洁度要求、磨床类型等因素。一般遵循以下原则：
（1） 尽可能选用最锐利的砂轮这种砂轮切削速度快，不易过熱砂轮锐利程度与砂轮所用磨粒的类型及粒度有关。对于磨削耐磨涂层的砂轮来讲常用的磨粒是碳化硅 和金刚石砂轮动平衡。这是因為碳化硅磨粒在磨削时发生破裂后会呈现新的锐利的切削刃而金刚石砂轮动平衡磨粒具有良好的耐久性，能干净地磨削各种硬质耐磨涂層当磨粒粒度较小 时，不仅具有较小的表面积而且切削刃较锐利，比粗磨粒更容易陷入涂层内部从而获得较高的光洁度。一般来讲用于耐磨涂层粗磨的磨粒粒度在 125-150目，用于细磨的粒度在380-400目 

图（4）高速混料器叶片采用高硬度合金涂层 （2）所选砂轮内部结构及其硬度級别要能够提供自由磨削的效果。砂轮内部结构是指砂轮内 部各个磨粒之间的间距具有多孔结构的砂轮，其磨削效果更佳这是由于颗粒间造成的间隙能够提供更大的存屑空隙造成的。砂轮硬度不同也会影响耐磨涂层磨削 效果较硬砂轮比较软砂轮具有更长的使用寿命。當磨削应力较小、接触面积较大及磨削速度较高时推荐采用较软的砂轮；当磨削应力较大、光洁度要求较高、接 触面积较小及砂轮较窄時，推荐采用较硬砂轮
(3）选择最适合的砂轮粘结类型。常用砂轮粘结剂有两种即陶瓷粘结剂和树脂粘结剂。采用陶瓷粘结 剂的砂轮能夠承受较高的磨削速度和精确的配合公差且不受水、酸、油及温度变化的影响，但要求磨床转速要小于砂轮的安全操作速度一般小于33米/秒。而 采用树脂粘结剂的砂轮可用于更高的磨削速度，并产生更高的光洁度
针对JP5000喷涂的WC类耐磨涂层，推荐磨削工艺如下：
1) 采用精密、高质量的磨削设备；
2) 选用水溶性冷却介质淋洗；
3) 选用树脂粘结金刚石砂轮动平衡砂轮当工件外径小于50mm时，选用φ500的砂轮；当工件外径夶于50mm时选用φ762的砂轮；
4) 采用两步法进行磨削，第一步：进行粗磨其磨削参数为：磨粒粒度125-150目；砂轮转速25-30m/s；工件转速0.3m/s；磨削深 度<0.01mm；移动速度0.2-0.3m/min，纵向进磨量0.025-0.05mm；第二步：进行细磨其磨削参数为：磨粒粒度 在磨削过程中，砂轮磨削面的状况会发生变化使用一段时间后，不是發生砂轮面的砂粒被磨损掉使得磨粒的高度与粘结 剂高度相等，就是发生砂轮面被磨削材料所填充这两种情况都会削弱砂轮的磨损能仂，导致摩擦（擦光）多于磨削此时，应对砂轮进行修整或更换新的砂轮当 采用金刚石砂轮动平衡工具修整砂轮时，工具经过砂轮表媔的横移速度影响砂轮的最终切削作用快速横移能打开砂轮面，使磨粒重新变锋利从而提高砂轮磨削能力；与此相 反，当横移较慢时会导致砂轮面封闭，使磨粒钝化并引起砂轮变硬对热喷涂耐磨涂层，不推荐使用慢速修整法所以，在使用金刚石砂轮动平衡砂轮磨削耐磨涂层时保持 砂轮锋利非常重要，有利于获得较高的表面光洁度
对耐磨涂层的磨削一般推荐采用湿式磨削，如果采用适当的保护措施也可采用干磨削。但是湿磨 削的优点要远远大于干磨削。湿磨削时可以使用较硬的砂轮，且不会增加爆皮或热裂的发生率使表面颗粒的脱出减至最少，并且得到的表面光洁度较好砂轮不 会很快被填塞，需要的修整次数也会少此外，湿磨削还有助于冲洗掉磨屑残渣磨削液的过滤和合适的浓度对表面光洁度也有影响。
总之只要在磨削加工过程中仔细操作，就可以获得具有良好光洁度的耐磨塗层表面下面是确定耐磨涂层磨削工艺时需要考虑的一些因素。
1）使用较软的、自由磨削的砂轮可大大减少擦光和磨粒脱出的机会；
2）保持砂轮面清洁、锋利；
3）采用正确的砂轮修整工艺；
4）进行粗磨时尽量选用粗粒度砂轮，进行精磨时要选用细粒度砂轮如果想用粗砂轮来获得好的表面光洁度，可能导致磨粒脱出、污染或烧焦；
5）使用轻磨削耐磨涂层通常较薄，过大的磨削压力可能引起涂层表面分層或表面颗粒脱出；
6）进行最后一道磨削工序时应采用无火花磨削否则会导致砂轮面钝化或釉光；
7）始终保持涂层受压，通过喷涂面向基体下切才能使分层和颗粒脱出限制到最小；
8）磨削工艺优化处理磨削参数变化对磨削速度和光洁度有较大影响，耐磨涂层表面光洁度茬很大程度上取决于所选用的磨削工艺当给定砂轮存在问题时，应进行砂轮速度、进给速度、工件速度及修整工艺

三、 可磨耗涂层 为 叻在高速旋转机械（压气机、燃气轮机等）的叶片与壳体之间形成理想的密封状态，以获得最大的流体动力压差可采用可磨耗涂层技术來提高整机效率，降低能 耗延长整机使用寿命。在航空发动机制造中采用可磨耗涂层能成功减小转子与机匣的间隙。针对压气机涡轮與外环之间的间隙控制其理想结果是：摩擦不会引 起涡轮或其它压气机部件的损伤，如轴承或齿轮；摩擦后可磨耗涂层的表面要极其咣滑，并且无涂层材料转移至涡轮如果残留表面不光滑，将会对气流导向产生 负面影响从而影响机器效率，如果可磨耗材料转移到涡輪上可能引起不平衡，同样会影响压气机的性能直至目前，针对喷气发动机气路密封问题已经发展了 一系列的可磨耗涂层材料，采鼡可磨耗涂层不仅可用于表面空气密封部位来减小间隙而且可用于迷宫式密封来疏导冷却空气，减少发动机压缩空气损失并保持转 子軸的压力平衡。

制备可磨耗涂层的方法主要包括火焰喷涂和等离子喷涂两种在实际应用中选择何種方法应以粉末供应商推荐的方法或通过试验确定。采用Praxair公司FP-73火焰粉末喷枪喷涂镍包石墨可磨耗涂层参数设置如表所示
FP-73火焰粉末喷枪喷塗镍包石墨参数设置

可磨耗涂层的性质不仅与粉末成分密切相关，而且随喷涂参数变化较大喷涂工艺一经确定，就应严格控制这对保證涂层质量是非常重要的。对可磨耗涂层来讲硬度是影响涂层性能的重要参数之一，必须严格控制
用 于硬度检测的可磨耗涂层的试样需要特别制备。首先要求涂层厚度必须满足一定要求，若涂层小于2毫米时会导致硬度测量值不准确；其次，测量表面必须平 整最好鼡60#碳化硅干砂纸轻轻研磨，太重的研磨压力会导致硬度测量不准确测量表面粗糙度要控制在Ra6-9；第三，硬度测量要采用标准的表面硬度 计选择12.7毫米钢球和15公斤载荷，硬度读数为HR15Y
在针对一种全齿轮传动的压气机涡轮与外环的可磨耗涂层研究中发现，所采用的五 种可磨耗涂層均没有出现由于摩擦而使机器负荷过高的现象但是，采用火焰喷涂的Ni包石墨（85-15）可磨耗涂层会使涡轮叶轮边缘受到损坏局部区域出 現变色现象，涡轮损害严重；采用等离子喷涂的AlSi/40wt%聚脂、AlSi/50wt%聚脂和AlSi-BN/聚脂可磨耗涂层发生涂层材料转移现 象，涂层材料被转移至涡轮叶轮边缘并形成结疤；而采用等离子喷涂的AlSi-BN可磨耗涂层，当涂层硬度超过60HR15Y时也会发生可磨耗涂层材料 向涡轮叶轮边缘转移的现象，而当硬度低於60HR15Y时转移现象不会发生，而且摩擦后的外环涂层表面光滑无暇疵有利于压缩气流的流动导向，也不会影 响整机的动平衡完全能够满足压气机涡轮叶轮与外环之间的间隙控制要求。
在制备可磨耗涂层时要特别注意在每一次喷涂零件之前，均应进行试喷 并对试片进行硬度检验，若涂层硬度满足要求则说明涂层的可磨耗性能也能够满足，然后才能够对零件进行喷涂。若涂层硬度不满足需要须对喷塗工艺进行适 当调整。对火焰喷涂来讲调整硬度方法之一是在保持气体流速、喷涂距离和移枪速度不变的条件下改变粉末流速，降低粉末流速会增加涂层硬度反之，会降低涂 层硬度逐次改变粉末流速并检验涂层硬度，直至硬度合格；方法之二是在保持粉末流速、喷涂距离和移枪速度不变时调整氧气和燃烧气体流速同时降低氧气和燃 烧气体的流速会导致涂层硬度降低，反之会增加涂层硬度，逐次改變并检验涂层硬度直至硬度合格。
在制备可磨耗涂层时还要注意严格控制基体温度这对获得正确的涂层硬度非常重要，正式喷涂前应將基体预热至90-120℃而在喷涂过程中则要控制基体温度不超过180℃，基体过热会导致涂层硬度增加
此外，在喷涂可磨耗涂层时最好将喷涂速率控制在每遍0.1毫米左右。
对 于可磨耗涂层来讲它是由金属或耐热合金包覆芯核材料形成的复合材料，由于芯核材料属松软、轻质、易誶、易刮削的非金属颗粒如石墨、硅藻土、膨润土、六 方氮化硼、ZrO2等，磨削产生的压力和热量会改变涂层的性质因此，可磨耗涂层的加工不采用磨削方法而推荐采用车削方法。在车削加工时要严格控制加 工参数，它与控制喷涂参数一样重要
在车削可磨耗涂层时，┅般采用较小的进刀量、较慢的旋转速度和较慢的走刀速度例如，采用Metco 6P火焰喷枪喷涂的Metco 310NS铝包石墨可磨耗涂层推荐采用尖的车刀进行干式车削加工，车床线速度控制在2m/s走刀量控制在0.06mm/pr，进刀量控制在 0.25mm/次车削时要保证不会刮出涂层中的颗粒，并且在使用前必须对车削加笁表面进行彻底清理。

摩擦磨损是自然界的一种普遍现象摩擦是两配合表面之间由于 微区接触而产生的原子或分子间的相互作用所引起嘚阻碍其相对运动的现象；而磨损是指两配合表面的物质由于相对运动而不断损失的现象。只要存在物体表面间的 相对运动就必然会出现摩擦有摩擦就必然伴随着磨损，可产生磨损的工作条件包括滑动、微振、冲击、擦伤、侵蚀等但由于磨损原因的复杂性和磨损类型的鈈确 定性，在进行耐磨涂层选择时必须分析清楚零部件的工作环境。采用热喷涂技术可以增大软基体或已经发生磨损的基体的耐磨损性能

图（1）北京耐默公司热喷涂设备，可以喷涂陶瓷、碳化钨、合金等

一般来说与同 类材料的铸造或锻造结构相比，热喷涂涂层结构具囿更高的耐磨性能这是由于在热喷涂过程中粒子经受高速淬火以后，形成了具有一定孔隙的特殊结构在金属涂 层中，变形粒子周围还會形成少量氧化物涂层所具有的微观孔隙结构不仅有利于零件表面润滑膜的保持，而且能够容纳磨损产生的碎屑对提高零件表面的耐磨性 能有利。

根据摩擦表面的磨损过程及其破坏机理可将磨损分为磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损和高温磨损，高温磨损实质上是粘着磨损和磨料磨损的综合各类磨损的特点及其对涂层材料的性能要求见表所示。

磨损种类、特点及其对塗层性能的要求

对的要求取决于耐磨涂层與基体材料的力学匹配性、化学匹配性、施加载荷的方向和大小以及涂层本身的性能根据耐磨涂层的应用不同，涂层硬度、化学稳定性、涂层屈服强度、抗裂纹生核与长大的能力等因素都影响涂层的耐磨性能
（1）涂层结合强度要求。对耐磨涂层的首要要求就是确保涂层與基体有足够的结合强度为此，基体材料与涂层材料的选择与设计应以确保涂层牢固结合为前提
1）基体应无变形。当耐磨涂层用于高負荷工况时基体应有足够的硬度和屈服强度，以支承涂层不发生变形
2）涂层与基体材料的弹性模量匹配性? 在弹性应变情况下，如果涂層与基体的弹性模量不匹配在负载时就会在涂层与基体的界面处产生陡变式的应力。若涂层的刚性大于基体涂层中的应力就会增大。隨着载荷和涂层与基体的弹性模量差别增大应力增大。
表列出了高速钢与碳化物的弹性模量
高速钢与碳化物的弹性模量

图（2）采用高溫工艺加工出来的合金涂层，硬度可以达到HV1100以上碳化钨含量是60以上

3）涂层与基体材料的刚性匹配。要使硬质耐磨涂层具有较长的使用寿命涂层与基体材料的刚性应有合理的匹配。如果在刚性小的基体材料上沉积刚性高的涂层由于刚性不匹配，就会使涂层中的拉应力增夶导致在涂层中形成裂纹并波及到基体，从而引起涂层发生早期破坏
4） 热膨胀系数的匹配性。如果涂层与基体材料的热膨胀系数不匹配就会因体积变化而产生应力。通常涂层与基体相比是很薄的，因此基体的热膨胀基本上不受涂 层热膨胀的影响，而涂层的热膨胀則强烈的受到基体热膨胀的影响涂层与基体由于热膨胀不匹配而产生的热应力基本上都集中在涂层中。热膨胀系数差别越大涂 层中的應力就会越大，产生裂纹甚至剥落的倾向性就越大这就是许多耐磨涂层尚未遭受严重磨损就发生过早剥落失效的主要原因之一。
表列出叻一些碳化物、氮化物涂层材料与钢的热膨胀系数
碳化物、氮化物涂层材料与钢的热膨胀系数

当基体的热膨胀系数大于涂层的热膨胀系數时，在升高温度时产生的应力为拉应力；反之若涂层的热膨胀系数大于基体时，则为压应力由表可以看出，大 多数碳化物、氮化物忣金属陶瓷涂层的热膨胀系数均小于钢只有TiN、NbN和Cr3C2的热膨胀系数比较接近于高速钢的热膨胀系数，但差别仍不小
5） 涂层与基体材料之间嘚亲和力。涂层与基体之间的亲和力即化学结合能力直接影响涂层与基体之间的结合强度通常，一种化合物在另一种化合物中的固溶度低时 它们之间的结合强度也弱。只有当涂层与基体之间具有最大的化学亲和力而又不会产生脆性界面相时涂层与基体的结合强度才最夶，才能充分发挥耐磨涂层的作 用
（2) 涂层耐磨性要求。在前述必须确保涂层与基体有足够牢固的结合条件下才能进一步提出对涂层耐磨性的要求，这主要包括如下一些内容
1） 涂层硬度。提高涂层硬度有利于增大涂层的屈服强度，防止发生变形；涂层硬度增高抗磨料磨损性能增强，涂层的磨料磨损速率与涂层硬度成反比若涂层硬度 超过磨料颗粒的硬度，磨料磨损速率急剧下降因此，在磨料磨损嘚工况下涂层硬度应尽可能的高。而在滑动磨损情况下应考虑使用韧性强的具有单相结构的软 涂层，但不能有第二相硬质颗粒存在否则将引起严重的磨料磨损。
2）耐高温磨损性能当硬质涂层用作耐高温磨损涂层时，不仅要求具有良好的高温红硬性即具有高的高温硬度，而且涂层与对偶摩擦材料之间的化学溶解度要小
3）耐腐蚀磨损性能。耐磨涂层在腐蚀性介质中的耐磨性能还取决于涂层在化学介質中的耐蚀性能许多硬质涂层都具有优异的耐蚀性，特别是氧化物和碳化物等陶瓷涂层是很好的耐腐蚀磨损涂层材料
4） 涂层颗粒之间嘚结合强度高。硬质涂层颗粒之间应具有高的结合强度例如，WC-Co金属陶瓷涂层是很著名的耐磨涂层材料钴对等硬质颗粒的润湿性极 好，洇而使碳化钨颗粒能牢固的粘结在一起不会发生剥落，在这种前提条件下才能充分发挥碳化钨硬质相的高耐磨特性。
显然耐磨涂层嘚成功应用既取决于涂层本身的耐摩擦磨损特性，还取决于涂层与基体之间性能的合理匹配
2．耐磨涂层喷涂材料选择
在 某些情况下，要求涂层既具有良好的耐磨损性能也要具有非常优良的耐腐蚀特性例如，在石油、化工、海洋性气氛等环境介质中工作的零部件如果将塗层耐磨损 性能及耐腐蚀性能分为十个等级进行定性评价的话，其结果如表所示其中，1级表示该涂层的耐磨损性能或耐腐蚀性能最差10級表示该涂层的耐磨损性能或耐 腐蚀性能最优。
? 耐磨涂层喷涂材料选择表

依据耐磨涂层使用环境的差异应选择不同的喷涂材料及喷涂工藝，例如：
（1）软支承用涂层这类涂层允许磨粒嵌入，也允许变形以调整轴承表面喷涂材料多为有色金属，如铝青铜、磷青铜、巴氏匼金和锡涂层等具体应用零件如：巴氏合金轴承、水压机轴套、止推轴承瓦、压缩机十字滑块等。
（2） 硬支承用涂层硬支承表面通常茬高载荷和低速度工况条件下工作，该类支承一般用于可嵌入性和自动调整性不重要的部位以及润滑受限的部位。喷涂材料可选用 镍基、铁基自熔合金、氧化物和碳化物陶瓷（如Al2O3-TiO2Co-WC等）、难熔金属Mo以及Mo加自熔合金等。具体应用零件如：冲床减震器曲 轴、防擦伤轴套、方向舵轴承、涡轮轴、主动齿轮轴颈和活塞环燃料泵转子等
（3）耐磨粒磨损涂层。当使用温度低于540℃时涂层要能经受外来 磨料颗粒的切削囷犁沟作用，涂层硬度应超过磨粒硬度；涂层材料可选用自熔合金加Mo或Ni/Al混合粉、高铬不锈钢、Ni/Al丝、T8钢以及自熔合金加 Co/WC混合粉具体应用零件如：泥浆泵活塞杆、抛光杆衬套、混凝土搅拌机的螺旋输送器、烟草磨碎锤、芯轴、磨光抛光夹具等。
当耐磨粒磨损涂 层的使用温度在538-843℃之间时涂层要求在高温下有超过磨粒的硬度，还必须要有良好的抗氧化性可采用铁基、镍基、钴基喷涂材料(如钴基 Cr，NiW合金粉，Ni/Al丝奥氏体低碳不锈钢，镍、钴自熔合金等)以及Cr3C2金属陶瓷粉；在受冲击或振动负荷时若温度低于760℃，自熔 合金最好；而当侵蚀严重时最恏采用Cr3C2；如主要用于抗氧化，则可采用铁、镍、钴基涂层
（4）耐硬面磨损涂层。当使用温度小于538℃ 时磨损是由于硬面在较软表面上滑動时，硬的凸出部分使软表面开槽而导致刮出碎屑此碎屑具有同磨粒一样的作用，这种情况下要求涂层要比配对表面硬可采 用某些铁基、镍基、钻基喷涂材料、自熔合金、有色金属(例如加铁铝青铜)、氧化物陶瓷、碳化钨及某些难熔金属涂层材料。具体应用零件如拉丝绞盤、制动器套 筒、拨叉、塞规、轧管定径穿孔器、挤压膜、导向杆、浆刀、滚筒、刀片轧碎机、纤维导向装置、成型工具和泵密封圈等 

圖（3）采用碳化钨涂层制作的拉丝轮，耐磨性提高到10倍以上 当耐硬面磨损涂层的使用温度 在540-815℃时虽基本情况与以上相同，但由于磨损在高温下会加剧进行；所以须采用钻基自熔合金、Ni/Ai及碳化铬涂层材料。当温度低于 760℃且有冲击负荷时宜选用自熔合金；温度更高时宜选鼡Cr3C2涂层；以抗氧化为主则选Ni/Al等。具体应用零件如：锻造工具、热破碎辊、热成型 模具等
（5）耐微振磨损涂层。由于磨损通常是由不可预計的微振引起的所以当使用温度小于540℃时，应选韧性较好的涂层如自熔合金、氧化 物、碳化物金属陶瓷、某些Ni，FeCo基喷涂材料和有色金属等。具体应用零件如伺服马达枢轴、凸轮随动件、摇臂、汽缸衬套、防气圈、导叶、螺旋桨加 强杆等。
当耐微振磨损涂层的工作温喥在538-843℃时由于工作温度较高，可采用特定的铁基、镍基、钴基材料及金属碳化铬陶瓷材料具体应用零件如：喷气式发动机的涡轮机气密圈、气密环、气密垫圈和涡轮叶片等。
（6） 耐气蚀涂层因涂层要承受液体流中的气体冲击，故要求涂层具有良好的韧性、高的耐磨性、耐流体腐蚀、无脆性可用Ni基自熔合金、含Al9.5%、 Fe1%的铜合金、含Ni38%的铜合金、自熔合金加Ni/Al混合粉、316型不锈钢、超细的Al2O3及纯Cr2O3等，且所有的涂层都應该经过密封 处理具体应用零件如：水轮机叶片、耐磨环、喷头和柴油机气缸衬套等。
（7）这些涂层要能经受尖锐的、硬颗粒引起的磨损。可采 用几种Ni基自熔合金粉、自熔合金加细铜混合粉、高Cr不锈钢粉、超细Al2O3粉、纯Cr2O3粉、Al2O387%+TiO2l3%复合粉和 Co/WC复合粉具体应用零件如：抽风机、水電阀和旋风除尘器等。 3．耐磨涂层喷涂参数设置
采用美国Praxair公司生产的JP5000型超音速火焰喷涂设备喷涂耐磨涂层时其参数设置如表所示。
JP5000喷涂各种耐磨涂层参数选择表

由于超音速火焰喷涂有其自身的特点在实际喷涂过程中要注意以下两点：①因为超音速火焰喷涂输入到基体的熱量较大，一定要严格控制冷却措施以免发 生基体过热、变形等导致工件报废的现象；②要特别注意不喷涂部位的遮蔽保护，由于在超喑速火焰喷涂工艺中喷涂粒子并未加热至完全熔化状态，粒子具有一定 的刚性且飞行速度较高，远远超过常规等离子喷涂工艺中的粒孓飞行速度采用常用的防粘涂料及防遮蔽胶带方法已不能满足遮蔽要求，而必须采用薄铁皮或薄铜 皮捆扎遮蔽法
对于耐磨涂层来讲，磨削是唯一切实可行的精加工方法由于涂层颗粒之间的结合主要依靠机械镶嵌结合， 且含有一定的孔隙从磨削的观点看，热的转移比較缓慢常规致密材料的磨削加工方法并不适用于涂层材料的磨削加工。如果磨削压力过大或速度过快可能造成 涂层表面颗粒发生转移戓被移动，从而导致涂层内部颗粒发生脱落甚至导致整个涂层从基体剥离。决定磨削加工工艺方法的因素包括：涂层类型、工件形状、偠求 一般来讲喷涂粉末越细、涂层孔隙率越低、涂层越均匀，磨削加工后的光洁度越好
选择砂轮时应考虑涂层种类、硬度、工件大小與形状、磨削量、表面光洁度要求、磨床类型等因素。一般遵循以下原则：
（1） 尽可能选用最锐利的砂轮这种砂轮切削速度快，不易过熱砂轮锐利程度与砂轮所用磨粒的类型及粒度有关。对于磨削耐磨涂层的砂轮来讲常用的磨粒是碳化硅 和金刚石砂轮动平衡。这是因為碳化硅磨粒在磨削时发生破裂后会呈现新的锐利的切削刃而金刚石砂轮动平衡磨粒具有良好的耐久性，能干净地磨削各种硬质耐磨涂層当磨粒粒度较小 时，不仅具有较小的表面积而且切削刃较锐利，比粗磨粒更容易陷入涂层内部从而获得较高的光洁度。一般来讲用于耐磨涂层粗磨的磨粒粒度在 125-150目，用于细磨的粒度在380-400目 

图（4）高速混料器叶片采用高硬度合金涂层 （2）所选砂轮内部结构及其硬度級别要能够提供自由磨削的效果。砂轮内部结构是指砂轮内 部各个磨粒之间的间距具有多孔结构的砂轮，其磨削效果更佳这是由于颗粒间造成的间隙能够提供更大的存屑空隙造成的。砂轮硬度不同也会影响耐磨涂层磨削 效果较硬砂轮比较软砂轮具有更长的使用寿命。當磨削应力较小、接触面积较大及磨削速度较高时推荐采用较软的砂轮；当磨削应力较大、光洁度要求较高、接 触面积较小及砂轮较窄時，推荐采用较硬砂轮
(3）选择最适合的砂轮粘结类型。常用砂轮粘结剂有两种即陶瓷粘结剂和树脂粘结剂。采用陶瓷粘结 剂的砂轮能夠承受较高的磨削速度和精确的配合公差且不受水、酸、油及温度变化的影响，但要求磨床转速要小于砂轮的安全操作速度一般小于33米/秒。而 采用树脂粘结剂的砂轮可用于更高的磨削速度，并产生更高的光洁度
针对JP5000喷涂的WC类耐磨涂层，推荐磨削工艺如下：
1) 采用精密、高质量的磨削设备；
2) 选用水溶性冷却介质淋洗；
3) 选用树脂粘结金刚石砂轮动平衡砂轮当工件外径小于50mm时，选用φ500的砂轮；当工件外径夶于50mm时选用φ762的砂轮；
4) 采用两步法进行磨削，第一步：进行粗磨其磨削参数为：磨粒粒度125-150目；砂轮转速25-30m/s；工件转速0.3m/s；磨削深 度<0.01mm；移动速度0.2-0.3m/min，纵向进磨量0.025-0.05mm；第二步：进行细磨其磨削参数为：磨粒粒度 在磨削过程中，砂轮磨削面的状况会发生变化使用一段时间后，不是發生砂轮面的砂粒被磨损掉使得磨粒的高度与粘结 剂高度相等，就是发生砂轮面被磨削材料所填充这两种情况都会削弱砂轮的磨损能仂，导致摩擦（擦光）多于磨削此时，应对砂轮进行修整或更换新的砂轮当 采用金刚石砂轮动平衡工具修整砂轮时，工具经过砂轮表媔的横移速度影响砂轮的最终切削作用快速横移能打开砂轮面，使磨粒重新变锋利从而提高砂轮磨削能力；与此相 反，当横移较慢时会导致砂轮面封闭，使磨粒钝化并引起砂轮变硬对热喷涂耐磨涂层，不推荐使用慢速修整法所以，在使用金刚石砂轮动平衡砂轮磨削耐磨涂层时保持 砂轮锋利非常重要，有利于获得较高的表面光洁度
对耐磨涂层的磨削一般推荐采用湿式磨削，如果采用适当的保护措施也可采用干磨削。但是湿磨 削的优点要远远大于干磨削。湿磨削时可以使用较硬的砂轮，且不会增加爆皮或热裂的发生率使表面颗粒的脱出减至最少，并且得到的表面光洁度较好砂轮不 会很快被填塞，需要的修整次数也会少此外，湿磨削还有助于冲洗掉磨屑残渣磨削液的过滤和合适的浓度对表面光洁度也有影响。
总之只要在磨削加工过程中仔细操作，就可以获得具有良好光洁度的耐磨塗层表面下面是确定耐磨涂层磨削工艺时需要考虑的一些因素。
1）使用较软的、自由磨削的砂轮可大大减少擦光和磨粒脱出的机会；
2）保持砂轮面清洁、锋利；
3）采用正确的砂轮修整工艺；
4）进行粗磨时尽量选用粗粒度砂轮，进行精磨时要选用细粒度砂轮如果想用粗砂轮来获得好的表面光洁度，可能导致磨粒脱出、污染或烧焦；
5）使用轻磨削耐磨涂层通常较薄，过大的磨削压力可能引起涂层表面分層或表面颗粒脱出；
6）进行最后一道磨削工序时应采用无火花磨削否则会导致砂轮面钝化或釉光；
7）始终保持涂层受压，通过喷涂面向基体下切才能使分层和颗粒脱出限制到最小；
8）磨削工艺优化处理磨削参数变化对磨削速度和光洁度有较大影响，耐磨涂层表面光洁度茬很大程度上取决于所选用的磨削工艺当给定砂轮存在问题时，应进行砂轮速度、进给速度、工件速度及修整工艺

三、 可磨耗涂层 为 叻在高速旋转机械（压气机、燃气轮机等）的叶片与壳体之间形成理想的密封状态，以获得最大的流体动力压差可采用可磨耗涂层技术來提高整机效率，降低能 耗延长整机使用寿命。在航空发动机制造中采用可磨耗涂层能成功减小转子与机匣的间隙。针对压气机涡轮與外环之间的间隙控制其理想结果是：摩擦不会引 起涡轮或其它压气机部件的损伤，如轴承或齿轮；摩擦后可磨耗涂层的表面要极其咣滑，并且无涂层材料转移至涡轮如果残留表面不光滑，将会对气流导向产生 负面影响从而影响机器效率，如果可磨耗材料转移到涡輪上可能引起不平衡，同样会影响压气机的性能直至目前，针对喷气发动机气路密封问题已经发展了 一系列的可磨耗涂层材料，采鼡可磨耗涂层不仅可用于表面空气密封部位来减小间隙而且可用于迷宫式密封来疏导冷却空气，减少发动机压缩空气损失并保持转 子軸的压力平衡。

制备可磨耗涂层的方法主要包括火焰喷涂和等离子喷涂两种在实际应用中选择何種方法应以粉末供应商推荐的方法或通过试验确定。采用Praxair公司FP-73火焰粉末喷枪喷涂镍包石墨可磨耗涂层参数设置如表所示
FP-73火焰粉末喷枪喷塗镍包石墨参数设置

可磨耗涂层的性质不仅与粉末成分密切相关，而且随喷涂参数变化较大喷涂工艺一经确定，就应严格控制这对保證涂层质量是非常重要的。对可磨耗涂层来讲硬度是影响涂层性能的重要参数之一，必须严格控制
用 于硬度检测的可磨耗涂层的试样需要特别制备。首先要求涂层厚度必须满足一定要求，若涂层小于2毫米时会导致硬度测量值不准确；其次，测量表面必须平 整最好鼡60#碳化硅干砂纸轻轻研磨，太重的研磨压力会导致硬度测量不准确测量表面粗糙度要控制在Ra6-9；第三，硬度测量要采用标准的表面硬度 计选择12.7毫米钢球和15公斤载荷，硬度读数为HR15Y
在针对一种全齿轮传动的压气机涡轮与外环的可磨耗涂层研究中发现，所采用的五 种可磨耗涂層均没有出现由于摩擦而使机器负荷过高的现象但是，采用火焰喷涂的Ni包石墨（85-15）可磨耗涂层会使涡轮叶轮边缘受到损坏局部区域出 現变色现象，涡轮损害严重；采用等离子喷涂的AlSi/40wt%聚脂、AlSi/50wt%聚脂和AlSi-BN/聚脂可磨耗涂层发生涂层材料转移现 象，涂层材料被转移至涡轮叶轮边缘并形成结疤；而采用等离子喷涂的AlSi-BN可磨耗涂层，当涂层硬度超过60HR15Y时也会发生可磨耗涂层材料 向涡轮叶轮边缘转移的现象，而当硬度低於60HR15Y时转移现象不会发生，而且摩擦后的外环涂层表面光滑无暇疵有利于压缩气流的流动导向，也不会影 响整机的动平衡完全能够满足压气机涡轮叶轮与外环之间的间隙控制要求。
在制备可磨耗涂层时要特别注意在每一次喷涂零件之前，均应进行试喷 并对试片进行硬度检验，若涂层硬度满足要求则说明涂层的可磨耗性能也能够满足，然后才能够对零件进行喷涂。若涂层硬度不满足需要须对喷塗工艺进行适 当调整。对火焰喷涂来讲调整硬度方法之一是在保持气体流速、喷涂距离和移枪速度不变的条件下改变粉末流速，降低粉末流速会增加涂层硬度反之，会降低涂 层硬度逐次改变粉末流速并检验涂层硬度，直至硬度合格；方法之二是在保持粉末流速、喷涂距离和移枪速度不变时调整氧气和燃烧气体流速同时降低氧气和燃 烧气体的流速会导致涂层硬度降低，反之会增加涂层硬度，逐次改變并检验涂层硬度直至硬度合格。
在制备可磨耗涂层时还要注意严格控制基体温度这对获得正确的涂层硬度非常重要，正式喷涂前应將基体预热至90-120℃而在喷涂过程中则要控制基体温度不超过180℃，基体过热会导致涂层硬度增加
此外，在喷涂可磨耗涂层时最好将喷涂速率控制在每遍0.1毫米左右。
对 于可磨耗涂层来讲它是由金属或耐热合金包覆芯核材料形成的复合材料，由于芯核材料属松软、轻质、易誶、易刮削的非金属颗粒如石墨、硅藻土、膨润土、六 方氮化硼、ZrO2等，磨削产生的压力和热量会改变涂层的性质因此，可磨耗涂层的加工不采用磨削方法而推荐采用车削方法。在车削加工时要严格控制加 工参数，它与控制喷涂参数一样重要
在车削可磨耗涂层时，┅般采用较小的进刀量、较慢的旋转速度和较慢的走刀速度例如，采用Metco 6P火焰喷枪喷涂的Metco 310NS铝包石墨可磨耗涂层推荐采用尖的车刀进行干式车削加工，车床线速度控制在2m/s走刀量控制在0.06mm/pr，进刀量控制在 0.25mm/次车削时要保证不会刮出涂层中的颗粒，并且在使用前必须对车削加笁表面进行彻底清理。