瓦楞輥表面噴涂硬質涂層耐磨性研究

　　生產包裝紙箱用瓦楞紙的瓦楞輥輥面齒部，由于在運行過程中受到紙板及外來硬粒子的摩擦和磨損， 要求具有較高的硬度和較好的耐磨性。瓦楞輥一般用 42CrMo 合金鋼等材料制成， 通過采用低溫碳化或氮化和激光或高頻表面淬火處理，使其表面形成一層硬化層。 此外，一般還在硬化層上電鍍一層硬鉻來進一步提高瓦楞輥表面的耐磨性。 瓦楞輥雖經上述處理， 但仍不能滿足生產上對瓦楞輥材料的性能要求[1-7]。
　　目前， 我國每年需要用于生產包裝紙箱用瓦楞紙的瓦楞輥約 8000 對， 價值達 6 億元人民幣，所以提高其表面耐磨性能， 延長其壽命必然將帶來巨大的經濟效益。 本研究利用等離子噴涂(Plasma Spraying)技術，在瓦楞滾材料 42CrMo 表面噴涂 Cr3C2-NiCr、Cr2O3兩種涂層， 以期提高瓦楞輥表面的耐磨性能， 延長印刷包裝行業的瓦楞輥使用壽命。
　　1 實驗材料與方法
　　1.1 等離子噴涂
　　將 42CrMo 合金鋼棒材用線切割機切割成為準20 mm 的試樣，噴涂涂層前用砂紙將表面磨光，鏡面輥以除去表面的油污和銹斑， 然后再對試樣表面進行噴砂處理， 使表面具有一定粗糙度之后用超聲波清洗儀清洗試樣表面，并用丙酮清洗試樣，等表面吹干后，將試樣固定在旋轉工作臺上，試樣距噴槍的距離為 60 mm。 具體噴涂工藝見表 1。
　　1.2 檢測方法
　　用 S250MK3 型英國劍橋掃描電子顯微鏡(SEM) 觀測試樣的截面顯微組織及涂層厚度；用HMV-1T 型數字式智能顯微硬度計測量滲層的顯微硬度； 用 MFT-4000 型高速往復摩擦磨損試驗機檢測試樣在干摩擦下的摩擦磨損性能。 偶件采用 準4.75mm 的 SAE52100 鋼球，硬度 62HRC，載荷 20N，往復頻率 2Hz，往復距離 5 mm，試驗溫度(20±2)℃，相對濕度(65±5)%，滑動時間 5min。
　　2 結果與分析
　　2.1 試樣截面顯微組織及顯微硬度
　　圖 1 是 試 樣 經 過 等 離 子 噴 涂 Cr3C2-NiCr、Cr2O3兩種涂層的截面顯微組織 SEM 照片。 圖中壓痕為顯微硬度壓痕�？梢钥闯�，硬質涂層與基體結合緊密，Cr3C2-NiCr 涂層厚約 280 μm，Cr2O3涂層厚約 330μm。圖 2 是根據顯微硬度測試結果畫出的試樣顯微硬度分布曲線。通過數據比較可知，試樣經等離子噴涂后表面顯微硬度顯著增加。 Cr3C2-NiCr 涂層的平均顯微硬度達到 923.6 HV， 而 Cr2O3涂層的平均顯微硬度達到了 1184.1 HV。 基體 42CrMo合金的顯微硬度約為 255 HV。
　　2.2 涂層表面形貌
　　圖 3 是兩種涂層表面形貌的 SEM 照片。 可以看出，試樣表面涂層顆粒大部分呈條形，有少量呈橢圓形，粒度較均勻。 涂層致密，由條帶狀或不規則顆粒狀的熔融粒子相互搭接，逐層堆積而成，具有典型的層狀結構形貌， 這是等離子涂層的基本特征之一。
　　2.3 磨損試驗
　　經過高速往復摩擦磨損 試驗測得的 原始42CrMo 合金試樣和噴涂硬質涂層試樣的摩擦系數曲線見圖 4。 可知，摩擦系數曲線包括跑合階段和穩定階段。 而且在跑合階段，摩擦副相互接觸，由于試樣表面存在許多微突體， 實際接觸面積只占整個宏觀接觸面積的幾千分之一， 使實際接觸應力遠大于名義接觸應力。 接觸點處的金屬發生塑性變形， 致使整體接觸的宏觀應力場變成分散的微觀應力場[8]。 在這種微觀應力作用下，摩擦表面上的微突體發生變形，摩擦阻力增大。在這一階段，摩擦表面有較大的磨損并發熱，摩擦系數大且不穩定。隨著接觸面積逐漸加大，摩擦系數降低，并趨于穩定，進入穩定階段。原始 42CrMo 合金鋼最大摩擦系數為 0.816，進入穩定階段后表面平均摩擦系數為 0.626；而等離子噴涂 Cr2O3涂層后試樣最
　　大摩擦系數是 0.388，進入穩定階段后表面平均摩擦系數僅為 0.328；等離子噴涂 Cr3C2-NiCr 涂層后試樣最大摩擦系數是 0.262，進入穩定階段后表面平均摩擦系數僅為 0.226； 進一步說明 Cr2O3涂層、Cr3C2-NiCr 涂層均提高了表面硬度，使材料的摩擦系數顯著減小。
　　3 結論
　　(1) 利用等離子噴涂技術在 42CrMo 合金鋼表面形成厚約 280μm 的致密 Cr3C2-NiCr 滲層 ，平均硬度為 923.6HV 以及厚約 330μm 的 Cr2O3涂層，平均硬度為 1184.1HV。
　　(2) 經等離子噴涂 Cr3C2-NiCr、Cr2O3硬質滲層后，42CrMo 合金鋼表面抗磨損性能得到顯著改善，摩擦系數分別降為 0.226 和 0.328