摘要: 根据干片式制动器弹子加压机构旋转支撑柱面的接触摩擦和挤压损伤问题，提出了在接触副外柱面，采用氧-乙炔火焰喷涂技术制备镍-石墨涂层的工艺方法。通过对比各工艺试样的表面硬度、结合强度和微观形貌，确定了最优制备方案。通过摩擦试验和沙尘环境试验表明，涂层具有良好的减摩耐磨作用，作为一种自适应涂层表现出了较好的辅助密封效果。
关键词: 火焰喷涂; 涂层; 减摩; 结合强度; 匹配密封
干片式制动器由弹子加压机构和摩擦元件组成，前者提供制动正压力，后者提供停车制动所需扭矩。干片式制动器通常用于高温、高转速、高载荷以及沙尘等恶劣工况，加压机构运动部件的接触摩擦状态和密封性能直接影响制动器的力传递效率，当支撑配合面接触状态变化时，会导致旋转加压卡滞甚至是制动失效，影响车辆行驶安全性。
弹子工作支撑柱面是加压机构密封异物的主要配合面，一般采用小间隙配合微弹材料构成挤压型密封方式，以达到防尘效果。在单一操纵源的作用下，加压机构承受着非对称载荷，支撑柱面在往复运动中不可避免地产生挤压摩擦，降低加压转换效率。同时，由于弹子加压机构处于干摩擦状态，一定程度上也增加了对摩副的磨损。
改善润滑条件，从而达到控制摩擦、减少磨损的目的，一直是摩擦学研究领域的热点和难点问题［1］。金属基自润滑材料是以具有高强度的耐热合金作为基体，以固体润滑剂作为分散相，通过一定工艺制备而成的具有一定强度的复合材料，其中合金基体起支撑负荷和粘结作用，固体润滑剂起减摩作用。常用的合金基体为耐热合金，如镍基高温合金、钴基高温合金等［2］。
本文是将镍-石墨双组元材料结合氧-乙炔火焰喷涂技术，在弹子加压机构密封支撑柱面制备一种具有润滑功能的自适应匹配间隙的减摩耐磨涂层，以减小支撑密封柱面往复运动过程的摩擦阻力和挤压损伤，改善机构的密封性能。采用拉伸试验法测定涂层的结合强度，通过正交试验优化设计火焰喷涂的工艺参数，运用扫描电镜等微观分析仪器，对涂层的磨痕表面形貌、磨损颗粒的成分组成及形貌进行分析。
1 工作环境及性能要求
自适应匹配间隙涂层在结构件相对运动中应具备减摩耐磨作用，且不会对配合件产生加速破坏的效果;涂层厚度的均匀性以及与基体的结合强度要好，以保证在使用过程中不会产生剥落现象; 在湿润环境中应具有耐蚀性，一定程度上能够抑制沙尘等异物侵入。同时，涂层的制备不能对零件尺寸公差和形位公差造成重大改变，能够通过后续精加工消除。
弹子盘加压机构配合面表面硬度小于 35 HＲC，粗糙度优于 3． 2，考虑工艺可行性，在弹子盘外柱面制备涂层，同时应具备: ① 涂层过厚将降低与基体的结合强度，易在工作中开裂或剥落，导致早期失效，因此设计厚度控制在 0． 4 ～1． 0 mm; ② 通过控制涂层的硬度值，降低配合面的磨损; 结合强度须满足涂层在全工况下不发生剥落。具体参数: 硬度( 48 ± 10) HＲ15Y，结合强度 ＞6 MPa，弹性模量( 120 ± 50) GPa; ③ 涂层摩擦因数应不高于 0． 2。
2 材料选择
石墨作为固体润滑剂，能够大幅降低对摩表面材料磨损; 金属镍具有高强度、高耐热性、不易氧化等优点。镍-石墨是一种以石墨为核心，表面包裹金属镍的双组分粉末材料，利用镍的强度和石墨的润滑性，经过氧-乙炔火焰喷涂形成结合强度高、抗氧化、抗冲蚀和低摩擦因数的涂层，可适用于低于500 ℃的可磨耗耐磨部位［3］。
此外，镍-石墨已经作为封严涂层应用于航空涡轮发动机压气机中，该涂层除了具有耐热、耐蚀、抗氧化、抗冲蚀等特点外，在使用过程中对于发动机转动件没有损伤，同时能够准确配合或适应对摩副的形状，形成最小工作间隙。这一特性对于减小加压支撑配合间隙，降低沙尘侵蚀破坏尤为适用。
再者，镍铝底层和镍-石墨层中的镍含量较高，也有利于保护铁基基体不受环境中的水蒸汽腐蚀。基于以上因素，本研究采用镍-石墨复合材料制备支撑配合面减摩耐磨涂层。
3 工艺研究
溅射沉积方法制备涂层的生产效率低，通常溅射沉积 20 min 仅能得到 1． 3 ～1． 7 μm 的涂层，而且对生产条件要求较高，所需设备昂贵。多弧离子镀和低温离子渗硫结合的复合渗镀工艺也存在生产成本高、生产效率低以及工件尺寸受限制的缺点。粘接方法得到的涂层的结合能力很有限，且粘接剂的选择和用量对减摩耐磨性能影响很大［4］。喷涂技术利用高温火焰将粉末熔化喷射到金属表面上，再冷却凝固形成涂层，采用热喷涂技术可以制备很厚的涂层［5］，它具有许多其它表面技术所不具备的优势，例如: 氧-乙炔火焰喷涂特点: ① 喷涂工艺简单、重复性好、可喷涂材料广泛; ② 涂层孔隙率较大，涂层的残余应力较小，可喷涂厚度范围较大，便于后续加工; ③ 操作方便、成本低廉。
由于镍-石墨粉末的熔点较低，适宜采用氧-乙炔火焰喷涂制备具有一定孔隙率和氧化物含量的镍-石墨厚涂层。通过喷涂工艺设计，改变涂层孔隙率、石墨相的含量，从而控制喷涂涂层的力学性能，满足支撑密封面减摩耐磨以及封严要求。
涂层喷涂前经无水乙醇和丙酮清洗后，采用干式吹砂机清理活化基片表面，吹砂强度小于0．3 MPa，吹砂距离140 ～150 mm。底层采用亚音速火焰喷涂制备，工艺参数: 喷涂厚度0．1 ～0．2 mm; 喷涂距离200 ～300 mm。面层采用火焰喷涂制备，工艺参数: 喷枪为METCO 公司 6P 型火焰喷枪，采用两种喷嘴喷涂，分别记为 A 和 B; 乙炔压力 0． 16 MPa; 氧气压力 0． 7 MPa;送粉流量为 7 ～ 9 L/min。研究通过改变喷嘴型号和气体流量，获得 6 种工艺，综合硬度、结合强度和微观结构分析，确定适合弹子加压机构的最优工艺方案。喷涂参数如表 1 所示。
3． 1 涂层性能分析
3. 1. 1 硬度
硬度检测采用洛式硬度计，HＲ15Y 标准试块，试验加载时间为 5 s。经检测，6 种工艺样件的表面硬度均满足设计指标，其中以 A1最高，达到 55 HＲ15Y。
3. 1. 2 微观结构
火焰喷涂涂层是由无数变形粒子相互交错堆叠在一起的层状组织结构，高温高速的粒子陆续撞击到基体或已经形成的涂层表面，凝固形成涂层。喷涂过程中，粒子发生氧化反应，使涂层内出现氧化物夹杂。颗粒的陆续堆叠使扁平化后的粒子之间不可避免的存在一些孔隙和空洞，熔融粒子内的液相在冷却过程中发生收缩，在粒子内形成一些孔隙，而粒子在凝固过程中收缩而产生微观收缩应力，应力积累形成残余应力，当该应力较大时，涂层内会出现微裂纹。因此，通过火焰喷涂的自润滑涂层均含有一定量的变形粒子、孔隙和氧化物夹杂。
如图 1 所示，通过微观形貌观察，涂层的结构比较复杂，既存在充分变形的扁平粒子，也存在变形不充分的粒子，而涂层的孔隙或夹杂都集中于变形粒子层间，较大的孔隙主要出现在涂层粒子搭接处，其中，A2、B3的氧化物夹杂和气孔较多，B3中存在一定量的微裂纹，其原因是异种粒子的物理性能( 主要是热膨胀系数和热传导系数) 差异较大造成的。
3. 1. 3 结合强度
涂层的结合强度是衡量涂层与基体及涂层间结合力大小的性能指标。涂层结合强度的影响因素很多，喷涂表面的处理质量、喷涂材料、基体材料、粒子粒度、粒子速度、粒子温度都会影响涂层的结合强度［6］。与常规材料强度检测方法类似，采用拉伸强度测定方法定量地评价涂层的结合强度，图 2 为拉伸法示意图。
结合强度用断裂时的载荷除以涂层试样截面积来标示，测定结果为 3 个试验的平均值。经试验检测: A 类涂层的结合强度明显高于 B 类涂层( 均小于10 MPa) ，其中 A1为 12． 39 MPa，A2为 13． 09 MPa，A3为 11 MPa。综合对比，A 类工艺的涂层在硬度、结合强度和微观形貌方面均优于 B 类涂层; A1的硬度和微观结构最优，结合强度与 A2相当，均满足设计指标。因此，初步确定 A1为最佳制备工艺方案。
3． 2 摩擦磨损试验
3． 2． 1 涂层对钢的摩擦磨损试验
A1工艺获得的镍-石墨涂层的摩擦因数测试曲线如图 3 所示，试验初期，摩擦因数迅速升高，出现峰值后迅速降低，再次缓慢升高，15 min 后稳定在 0． 23 ～0． 24。分析原因: 在接触摩擦初期，涂层与摩擦副接触，石墨相未从基体中脱出并发生作用，此时为钢与镍基体进行接触摩擦，摩擦因数较大; 随后涂层的接触面出现破损，石墨相从基体中溢出并起到润滑作用，而此时试件的接触表面粗糙度较小，摩擦因数迅速降低; 随着磨损的进行( 10 min) ，涂层进一步破损，对摩面的粗糙度增大，摩擦因数增加; 经过一定的磨合后，接触面粗糙度不再增大，摩擦进入稳定阶段。涂层中石墨颗粒的自润滑作用使对摩面始终处于稳定状态，摩擦因数保持稳定。
经 120 min 摩滑试验后，涂层表面产生了一定的磨损量。涂层表面微观照片如图 4 所示，由( a) 和( d)可见，涂层表面出现明显的磨损痕迹，对比( b) 和( e)所示的磨损/未磨损界面处的形貌，涂层在磨损前后有明显变化。( e) 中“A”点所示为涂层经车削后的状态，此时涂层较平整，石墨相含量较高; “B”点为摩擦测试后的状态，可见石墨相含量明显减少，但仍均匀分布在镍基体中。对磨损的圆环整体进行观察，发现涂层在磨损后局部出现了贫石墨相区如( c) 和( f) 所示，这可能是由于长时间磨损后作为自润滑颗粒的石墨相逐渐消耗造成的，在该区域出现了轻微的塑性变形和磨粒磨削。因此，镍-石墨涂层的磨损以磨粒磨损为主，在石墨相的自润滑作用下，磨损量较小，起到减摩耐磨预期效果。
摩滑试验后的对偶件表面较光滑，未见明显沟状划痕。试验前涂层试件质量为 96． 24541 g，试验后为96． 23859 g，质量损失为 6． 8 mg，单位面积的质量损失为 0． 96 mg/mm2。
3． 2． 2 钢对钢摩擦磨损试验
同种工况下的钢对钢摩擦因数曲线如图 5 所示。在约 40 min 测试过程中，前期稳定阶段摩擦因数值稳定在 0． 25 左右，当试验 30 min 以后，摩擦因数急剧增加，且明显呈不规则状态，可能是由于摩擦过程中接触面出现破损粘着造成的。
钢/钢摩滑试验后的试件表面微观照片如图 6 所示，与 38CrSi 钢对磨后上下试件表面均存在大量的撕裂痕迹，如之前分析所述，38CrSi 钢在摩擦磨损过程中，表面出现破损-粘着-撕裂的过程，磨损机制以粘着磨损为主，表面有明显的划痕和材料磨损。
试验前涂层试件质量 45． 85152 g，试验后为42． 83359 g，质量损失 17． 9 mg，单位面积的质量损失为 2． 5 mg/mm2，磨损量降低 75%。
由此可见，通过 A1工艺制备的涂层起到了有效的减摩耐磨作用。同时，通过全载磨合后形成的匹配工作间隙，能够有效保护弹子的工作环境，实现了良好的辅助密封作用，如图 7 所示。
4 结论
1) A1工艺制备的涂层石墨相含量适中，镍基体融化充分，与石墨相浸润良好; 涂层硬度值较高，与基体结合强度满足设计要求。
2) A1工艺制备的涂层摩擦磨损性能优于钢-钢的结果，磨损机制由粘着磨损转变为磨粒磨损，石墨相起到自润滑作用，磨损量降低 75%，摩擦因数明显减小。
3) A1工艺制备涂层通过与对摩件的预磨合形成的自适应最小匹配工作间隙，辅助微弹密封元件较好地保护了弹子加压机构的工作环境不受沙尘侵蚀。
4) 镍-石墨涂层能够有效减少摩擦磨损造成的机械零部件的损伤，提高机械零部件的寿命，在不影响使用的情况下，动态完成磨损部位的自修复，突破了传动修复技术难以实现的局限性，同时，也降低了修复成本。
参考文献略
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