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                          304不銹鋼管表面Mo合金化改性層組織結構及耐磨性研究
                          時間:2021-04-13 08:32:00        點擊量:【 】次

                          提高304不銹鋼管表面耐磨性能。方法利用雙輝等離子合金化技術,使304不銹鋼管表面形成Mo合金化滲層。分析滲層的成分分布和相結構,對比基體材料和Mo合金化改性層的硬度、磨痕形貌和摩擦磨損性能。結果所制備的Mo合金化滲層均勻致密,9.6um,主要由純Mo相構成。合金化元素Mo在滲層中從基體表面到內部呈梯度分布,表面顯微硬度值達806HV0.05。在干摩擦條件下,Mo合金化滲層的比磨損率僅為304不銹鋼管基體的1/84,使材料的抗磨損性能得到明顯改善。結論雙輝等離子Mo合金化能夠有效改善304不銹鋼管的抗磨損性能。

                          不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能、較高的抗拉強度、較低的屈服點、極好的塑性和韌性,被廣泛應用于汽車零部件、醫療機械、海洋工程等行業。但是其本身也存在一些不足,如表面硬度低,耐磨性差,在摩擦過程中與對偶極易產生粘著、轉移并形成粘著磨損,這阻礙了其進一步應用。表面處理技術是提高材料耐磨性能最為直接有效的方法。目前,不銹鋼表面處理技術主要包括離子氮化、化學鍍和熱浸鍍、離子注入、鍍膜技術、激光表面熔覆技術及雙輝等離子滲金屬等。其中雙輝等離子滲金屬技術是近年發展起來的一種表面合金化技術,由于具有合金元素選擇范圍大、工藝簡單可控、滲入速度快、節能環保等優點,越來越引起學術界及工業界的重視。Mo元素具有熔點高和楊氏模量高的優點,常被用作合金元素來提高鋼的延展性、韌性及耐磨性。為了提高304不銹鋼管的表面硬度和耐磨性能,文中利用雙輝等離子滲金屬技術對304不銹鋼管進行等離子Mo合金化,分析了表面Mo合金化改性層的成分及結構組成,重點研究了Mo合金化滲層的摩擦磨損性能。

                          1等離子滲Mo

                          所用304不銹鋼管的化學成分見表1。試樣尺寸為20mm×5mm,經去離子水清洗、水砂紙磨光(360#1500#)、拋光、丙酮清洗、熱風吹干后,進行雙輝等離子滲Mo。源極為純度99.95%的鉬靶,尺寸為80mm×5mm。

                          采用自制LS-450型雙層輝光等離子滲金屬爐進行離子滲Mo,WDL-31型光電測溫儀測溫。首先,將滲金屬爐抽真空至8Pa以下,然后通入氬氣,打開陰極電源,對試樣進行預濺射,當陰極電壓升高到370V左右時,304試樣開始起輝放電,高能氬離子的轟擊使試樣溫度不斷升高并去除試樣表面氧化層。當試樣溫度升高至400益時,打開源極電壓,此時隨著源極起輝放電,在源極(鉬靶)和陰極(304試樣)之間形成了空心陰極效應,試樣升溫加速。待試樣升溫至1000益時,調整陰極和源極電壓,使溫度穩定在1000益進行滲Mo,保溫1h后關閉陰極和源極電源,試樣隨爐冷卻。具體工藝參數如下:滲金屬溫度1000,保溫時間1h,工作氣壓35Pa,-源極距離15mm,源極電壓650~900V,陰極電壓300~600V。

                          2表征及結果分析

                          2.1合金層的結構特征

                          2.1.1截面分析

                          NanoSEM430型掃描電子顯微鏡觀察Mo合金化改性層的截面組織形貌,如圖1所示??梢?/span>304不銹鋼管試樣經雙輝等離子Mo合金化后,表面形成了一層均勻、致密且與基體結合良好的合金化改性層,滲層厚約9.6um。

                          2.1.2成分及相結構分析

                          SpectroGDA750輝光放電光譜成分分析儀(GDOES)分析Mo改性合金層沿層深的成分分布,結果如圖2所示。在預濺射過程中,試樣表面承受大量高能氬離子轟擊,表層和次表層產生大量的空位缺陷,降低了擴散所需要的能量,從而更加有利于原子擴散。Mo元素與Fe元素的原子半徑接近,Mo原子在基體中不斷置換Fe原子并以固溶體的方式存在。在雙輝等離子滲Mo過程中,源極中濺射出來的Mo原子不斷被陰極表面吸收,吸附的Mo原子快速占據試樣表面離子轟擊所產生的空位,且不斷向內部擴散,形成了Mo元素含量由表及里逐漸降低而呈梯度分布的改性層。這種梯度分布的改性層與基體具有較高的結合強度。Mo元素在基體表面的質量分數最高達82%,而后逐漸下降;而基體元素Fe在最表面的質量分數僅為12%,其成分分布曲線與Mo元素的變化趨勢相反。Cr元素在2.5~5.0um處形成一個富集區,原因可能是:304不銹鋼管離子合金化過程中,基體內部的Cr原子不斷向表面擴散,與此同時Mo原子不斷向基體內部擴散,使Mo合金化滲層越來越厚,已經形成的Mo合金層對Cr原子向外擴散有阻礙作用,使得向外擴散的Cr原子在基體表面下某一區域形成一個富集區。

                          DX-2700X射線衍射儀分析Mo合金化改性層的相結構,使用CuK琢靶,結果如圖3所示。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

                          LECOM-400-H1型顯微硬度儀測304不銹鋼管基體和Mo合金化試樣的表面顯微硬度。測試表明,基體的平均顯微硬度為224HV0.05;Mo合金化試樣表面的平均顯微硬度為806HV0.05,是基體的3.6倍。Mo合金化試樣表面硬度顯著提高可能源于固溶強化機制。在等離子Mo合金化過程中,Mo原子不斷擴散進入304不銹鋼管基體,置換基體內部的Fe原子形成置換固溶體,造成Fe的晶格發生了畸變,使位錯的滑移難以進行。

                          2.3摩擦磨損性能

                          摩擦磨損實驗在MFT-R4000往復式摩擦磨損實驗機上進行,條件如下:配副為5mmGCr15,載荷5N,頻率2Hz,往復距離5mm,實驗溫度20,相對濕度RH=65%。磨損實驗裝置如圖4所示。實驗時,GCr15球在垂直方向對試樣施加恒定壓力P,試樣相對于小球(固定)在水平方向上作往復運動,試樣受到的摩擦力f由計算機實時監測。

                          5為干摩擦條件下,304不銹鋼管基體和Mo合金化試樣分別與GCr15小球對磨30m的摩擦系數-滑動行程關系曲線。往復磨損試驗表明,304不銹鋼管基體的摩擦系數為0.32~0.49,Mo合金化試樣的摩擦系數為0.45~0.54。304不銹鋼管基體的摩擦系數在跑合階段線性增大到0.35,隨后在0.35上下浮動;當滑動距離超過18m,又逐漸上升,最后穩定在0.45左右。Mo合金化試樣的摩擦系數直接上升到0.5,而后緩慢下滑至0.47左右,隨著滑動距離的增加,最后穩定在0.5左右。

                          從圖5可以看出,雖然304不銹鋼管基體的摩擦系數比Mo合金化試樣稍低,但是其摩擦系數的變化幅度較大(0.32~0.49),Mo合金化試樣的變化幅度較小(0.45~0.54)。主要原因是:304不銹鋼管基體與GCr15小球發生相對滑動時,硬度較低的304不銹鋼管基體與摩擦副的接觸面積隨著對磨時間的延長而不斷增大,發生了局部塑性變形,從而導致304不銹鋼管基體與摩擦副GCr15球產生了很強的粘著,使得滑動的阻力增加;隨著相對滑動的繼續進行,塑性變形區域內的粘著點被剪斷,粘著-剪斷反復出現,使摩擦系數曲線呈現出變化幅度較大的連續波動狀。而Mo合金化試樣表面硬度較高,抗粘著性增強,滲層屈服強度的提高有效地減小了接觸應變,提高了磨損抗力,使摩擦系數曲線的變化幅度較小。但是在等離子合金化過程中,離子轟擊使合金化試樣表面粗糙度增加,使得Mo合金化試樣的摩擦系數比304不銹鋼管基體稍高。用WIVS白光干涉三維輪廓儀測304不銹鋼管基體和Mo合金化試樣的磨痕截面輪廓,如圖6所示??梢钥闯?/span>,基體磨痕最大深度約為15.6um,而表面Mo合金化后磨痕最大深度僅為0.95um?;w和合金化試樣的磨痕寬度分別為0.801,0.156mm。磨痕寬度和深度都大幅減小,說明304不銹鋼管合金化后耐磨性提高。

                          根據公式計算304不銹鋼管基體和Mo合金化試樣與GCr15球對磨30m的比磨損率:K=Vv/(PS)(K為比磨損率,Vv為磨損體積,P為法向載荷,S為滑動距離)。算得304不銹鋼管基體和Mo合金化滲層的比磨損率分別為27.8×10-5,0.33×10-5mm3/(N·m),后者是前者的1/84。雖然304不銹鋼管試樣雙輝等離子滲Mo后的摩擦系數稍有升高,但其比磨損率下降了近2個數量級,表現出了極其優異的抗磨特性。

                          ZeissAxiovert25CA光學顯微鏡觀察304不銹鋼管基體和Mo合金化試樣滑動摩擦30m后的磨痕形貌。如圖7a所示,基體磨痕較寬且存在大量明顯的犁溝,因犁削、撕裂而產生了嚴重的塑性流變,磨損很嚴重,表面附著有GCr15小球的粘著物,其主要磨損機制為磨粒磨損和粘著磨損。如圖7b所示,Mo處理改性層硬度較高,高能氬離子轟擊使試樣表面凹凸不平,滲層表面的突起對GCr15摩擦副有切削作用,磨痕有少量的犁溝,無明顯的塑性流變和粘著等跡象,表面比較平整,磨痕寬度明顯變窄,體現出了微切削磨損的特征。

                          3結論

                          1) 304不銹鋼管表面經雙輝等離子滲Mo處理后,形成了均勻、連續、致密且成分呈梯度分布的合金化滲層。滲層厚度為9.6um,主要由純Mo相組成,與基體呈冶金結合,顯微硬度是基體的3.6倍。

                          2) 在往復磨損實驗條件下,合金化滲層的比磨損率僅為基體的1/84,表現出極其優異的抗磨損性能。滲層硬度高,并與基體呈冶金結合,Mo合金化試樣耐磨性能提高的主要原因。

                          3) 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,合金化滲Mo層的磨損機制為微切削磨損。

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