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    304不銹鋼管表面鉬合金改性層組織及耐磨性研究

    發布時間:2021-07-20 08:28:56 丨 瀏覽次數:


    提高304不銹鋼管的表面耐磨性。方法采用雙光等離子合金化技術在304不銹鋼管表面形成鉬合金層。分析滲透層的成分分布和相結構,比較母材與Mo合金改性層的硬度、磨痕形狀、摩擦磨損性能。得到的Mo合金層均勻致密,厚度為9.6 m,主要由純Mo相組成。合金元素Mo在滲透層中從基體表面到內部呈梯度分布,表面顯微硬度值達到806HV0.05。在干摩擦條件下,鉬合金層的比磨損率僅為304不銹鋼管基的1/84,大大提高了材料的耐磨性。結論雙束等離子鉬合金可有效提高304不銹鋼管的耐磨性。

    不銹鋼具有耐腐蝕、抗拉強度高、屈服點低、塑性和韌性好等特點,廣泛應用于汽車零部件、醫療機械、海洋工程等行業。但也存在表面硬度低、耐磨性差等缺點,由于在摩擦過程中易與偶極粘結、轉移、粘著磨損,難以進一步應用。表面處理技術是提高材料耐磨性最直接、最有效的方法。目前不銹鋼表面處理技術主要有離子氮化、化學鍍與熔化、離子注入、鍍膜技術、激光表面熔覆技術和雙輝等離子金屬滲透等。其中,雙匯等離子金屬滲透技術是近年來發展起來的一種表面合金化技術,具有合金元素選擇多樣、工藝簡單可控、滲透速度快、節能環保等特點。它催生了學術界和工業界。 Mo元素具有熔點高、楊氏模量高的優點,常作為合金元素用于提高鋼的延展性、韌性和耐磨性。為了提高304不銹鋼管的表面硬度和耐磨性,本文對等離子Mo合金304不銹鋼管采用雙束等離子金屬浸滲技術,分析了表面Mo合金改性層的成分和結構組成,Mo合金層的摩擦磨損重點特性。

    1 等離子穿透鉬

    所用304不銹鋼管的化學成分見表1。樣品尺寸為20mm5mm,去離子水清洗,水砂紙(360#~1500#)拋光,拋光,丙酮清洗,熱風干燥,然后雙光等離子Mo滲透。源是一個99.95% 的純鉬靶,尺寸為80mm x 5mm。

    Mo離子滲透采用自制LS-450雙輝等離子體滲透爐,WDL-31光電測溫儀測溫。首先將金屬滲透爐抽真空至8Pa以下,注入氬氣,開啟陰極電源,對樣品進行預濺射。樣品的表面。當樣品溫度上升到400 yi時,開啟源電壓,當源開始放電時,在源(鉬靶)和陰極(304樣品)之間形成空心陰極效應。加速。當樣品加熱到1000yi時,通過調節陰極電壓和電源電壓,溫度穩定在1000yi使Mo滲透。保溫1小時后,關掉陰極,通電,將樣品放入爐內冷卻。具體工藝參數為:金屬滲透溫度1000優勢,保溫時間1h,工作壓力35Pa,陰極源距離15mm,源電壓650~900V,陰極電壓300~600V。

    2 結果的表征和分析

    2.1 合金層結構性能

    2.1.1 截面分析

    用NanoSEM430掃描電子顯微鏡觀察Mo合金改性層的橫截面結構,如如圖1所示。 304不銹鋼管樣品用雙光等離子Mo合金化后,可以看出在表面形成了一層均勻致密、結合良好的合金改性層,厚度約為9.6m。

    2.1.2 組成和相結構分析

    使用SpectroGDA750輝光放電光譜成分分析儀(GDOES)分析Mo改性合金層沿層深度的成分分布,結果見如圖2。在預濺射過程中,樣品表面受到許多高能氬離子的轟擊,在表面和亞表面層產生許多空位缺陷,降低了擴散所需的能量,進一步促進了原子擴散. Mo元素的原子半徑接近于Fe元素的原子半徑,Mo原子不斷取代基體中的Fe原子并以固溶體形式存在。在雙光等離子體鉬穿透過程中,從源頭濺射出的鉬原子被陰極表面不斷吸收,被吸附的鉬原子迅速占據樣品表面離子轟擊產生的空位并繼續擴散。內部為形成Mo元素的石英層,含量由表面向內部逐漸減少,呈梯度分布。這種梯度分布改性層與基體具有更高的結合強度。 Mo元素在基體表面的質量分數高達82%,然后逐漸減少。Fe元素在基體表面的質量分數僅為12%,但成分分布曲線為如下。與鉬元素變化趨勢相反Cr元素在2.5~5.0um形成集中區,因為304不銹鋼管在離子合金化過程中,基體中的Cr原子繼續向表面擴散,同時Mo原子繼續向基體擴散,使Mo合金層越來越厚,形成的Mo合金層干擾了Cr原子向外擴散,在表面以下的特定區域形成了向外擴散的Cr原子較多的區域。的基板。

    用DX-2700 X射線衍射儀分析Mo合金改性層的相結構,使用CuK靶,結果見如圖3。 Mo合金層主要由Mo原子在Fe原子中的固溶體組成。

    2.2 顯微硬度

    采用LECOM-400-H1型顯微硬度計測量304不銹鋼管基體和鉬合金試樣的表面顯微硬度。試驗結果表明,基體的平均顯微硬度為224HV0.05,鉬合金試樣表面的平均顯微硬度為806HV0.05,是基體的3.6倍。 Mo合金樣品表面硬度的顯著增加可能是由于固溶強化機制。在等離子鉬合金化過程中,鉬原子繼續擴散到304不銹鋼管基體中,取代基體內的Fe原子形成替代固溶體,使Fe晶格扭曲,使位錯難以滑移。

    2.3 摩擦磨損性能

    摩擦磨損試驗采用MFT-R4000往復式摩擦磨損試驗機, 5mm GCr15球,載荷5N,頻率2Hz,往復距離5mm,試驗溫度20%,相對濕度和相對濕度=65%。磨損測試裝置如圖4如圖所示。實驗過程中,GCr15球在垂直方向對樣品施加恒壓P,樣品與小球(固定)作水平方向往復運動,實時監測施加在樣品上的摩擦力f的:電腦。

    圖5為304不銹鋼管基與Mo合金試樣與GCr15球在干摩擦條件下磨削30m時摩擦系數與滑動行程的關系。往復磨損試驗表明,304不銹鋼管基體的摩擦系數為0.320.49,Mo合金試樣的摩擦系數為0.450.54。 304不銹鋼管基的摩擦系數在進入階段線性增加0.35,然后在0.35上下浮動,滑動距離超過18m時逐漸上升,最后穩定在0.45左右。 Mo合金樣品的摩擦系數直接上升到0.5,然后逐漸下降到0.47左右,最后隨著滑動距離的增加穩定在0.5左右。

    從圖5可以看出,304不銹鋼管基體的摩擦系數比Mo合金試樣略低,但304不銹鋼管的摩擦系數有較大的變化范圍(0.32 0.49 ),Mo合金樣品的變化較?。?.45至0.49)0.54)。主要原因是304不銹鋼管座與GCr15球相對滑動時,隨著磨削時間的延長,304不銹鋼管座與低硬度摩擦副的接觸面積增大,局部塑性變形增大。發生。因此,304不銹鋼管基體與摩擦副GCr15滾珠具有很強的附著力,增加了滑動阻力。它反復發生,造成摩擦。系數曲線顯示連續波動,變化較大。 Mo合金試樣表面硬度高,抗粘連性提高,當提高滲透層屈服強度時,有效降低接觸應變,提高耐磨性,摩擦系數曲線小。然而,在等離子體合金化過程中,離子轟擊增加了合金樣品的表面粗糙度,使得Mo合金樣品的摩擦系數略高于304不銹鋼管基體的摩擦系數。使用WIVS白光相干三維輪廓儀測量如圖6所示的304不銹鋼管基體和Mo合金樣品的磨痕橫截面輪廓。母材上磨痕的最大深度約為15.6um,而Mo合金化后表面磨痕的最大深度僅為0.95um?;w和合金樣品的磨痕寬度分別為0.801 和0.156 毫米。磨痕的寬度和深度大大減少,說明合金化后的304不銹鋼管的耐磨性得到提高。

    根據公式計算304不銹鋼管基體和Mo合金試樣和GCr15球磨削30m的比磨損率。K=Vv/(PS)(K為比磨損率,Vv為磨損量,P為法向載荷,S為滑動距離)。 304不銹鋼管基體和Mo合金層的比磨損率計算為27.810-5和0.3310-5 mm3/(Nm),后者為前者的1/84。 Mo雙光等離子滲透后,304不銹鋼管試樣的摩擦系數略有增加,但比磨損率下降近2000倍,表現出非常好的耐磨性。

    使用ZeissAxiovert25CA光學顯微鏡觀察304不銹鋼管基體和Mo合金試樣滑動摩擦30 m后的磨痕形貌。從如圖7a可以看出,基材有寬闊的磨痕和大量明顯的溝紋,翻耕和撕裂產生嚴重的塑性流變,導致磨損非常嚴重,表面為GCr15球-附著粘合劑主要磨損機制是磨粒磨損和粘附磨損。如如圖7b所示,經Mo滲入處理的改性層硬度較高,樣品表面因高能氬離子轟擊而凹凸不平,有少量磨痕,沒有明顯的塑性流變和粘連跡象,表面比較平整,磨痕寬度明顯變窄。它反映了精細切削磨損的性質。

    3 結論

    1)鉬對304不銹鋼管表面進行雙光等離子滲滲處理后形成均勻、連續、致密、梯度分布的合金層。滲層厚度為9.6um,主要由純Mo相組成,與基體冶金結合,顯微硬度是基體的3.6倍。

    2)在往復磨損試驗條件下,合金層的比磨損率僅為基材的1/84,表明耐磨性非常好。滲層的高硬度和與基體的冶金結合是Mo合金試樣耐磨性提高的主要原因。

    3)在干摩擦條件下,304基體的磨損機制主要是粘著磨損和磨粒磨損,合金Mo層的磨損機制是細切削磨損。


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