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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(fā)布時(shí)間：2021-07-20 08:28:56 丨 瀏覽次數(shù)：

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(shù)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(jié)構(gòu)，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(nèi)部呈梯度分布，表面顯微硬度值達(dá)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(jié)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(qiáng)度高、屈服點(diǎn)低、塑性和韌性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車零部件、醫(yī)療機(jī)械、海洋工程等行業(yè)。但也存在表面硬度低、耐磨性差等缺點(diǎn)，由于在摩擦過程中易與偶極粘結(jié)、轉(zhuǎn)移、粘著磨損，難以進(jìn)一步應(yīng)用。表面處理技術(shù)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(shù)主要有離子氮化、化學(xué)鍍與熔化、離子注入、鍍膜技術(shù)、激光表面熔覆技術(shù)和雙輝等離子金屬滲透等。其中，雙匯等離子金屬滲透技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種表面合金化技術(shù)，具有合金元素選擇多樣、工藝簡(jiǎn)單可控、滲透速度快、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。它催生了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界。 Mo元素具有熔點(diǎn)高、楊氏模量高的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)等離子Mo合金304不銹鋼管采用雙束等離子金屬浸滲技術(shù)，分析了表面Mo合金改性層的成分和結(jié)構(gòu)組成，Mo合金層的摩擦磨損重點(diǎn)特性。

1 等離子穿透鉬

所用304不銹鋼管的化學(xué)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(fēng)干燥，然后雙光等離子Mo滲透。源是一個(gè)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(cè)溫儀測(cè)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(duì)樣品進(jìn)行預(yù)濺射。樣品的表面。當(dāng)樣品溫度上升到400 yi時(shí)，開啟源電壓，當(dāng)源開始放電時(shí)，在源（鉬靶）和陰極（304樣品）之間形成空心陰極效應(yīng)。加速。當(dāng)樣品加熱到1000yi時(shí)，通過調(diào)節(jié)陰極電壓和電源電壓，溫度穩(wěn)定在1000yi使Mo滲透。保溫1小時(shí)后，關(guān)掉陰極，通電，將樣品放入爐內(nèi)冷卻。具體工藝參數(shù)為：金屬滲透溫度1000優(yōu)勢(shì)，保溫時(shí)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(jié)果的表征和分析

2.1 合金層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)合良好的合金改性層，厚度約為9.6m。

2.1.2 組成和相結(jié)構(gòu)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(jié)果見如圖2。在預(yù)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(chǎn)生許多空位缺陷，降低了擴(kuò)散所需的能量，進(jìn)一步促進(jìn)了原子擴(kuò)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(jù)樣品表面離子轟擊產(chǎn)生的空位并繼續(xù)擴(kuò)散。內(nèi)部為形成Mo元素的石英層，含量由表面向內(nèi)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(jié)合強(qiáng)度。 Mo元素在基體表面的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)82%，然后逐漸減少。Fe元素在基體表面的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為12%，但成分分布曲線為如下。與鉬元素變化趨勢(shì)相反Cr元素在2.5~5.0um形成集中區(qū)，因?yàn)?04不銹鋼管在離子合金化過程中，基體中的Cr原子繼續(xù)向表面擴(kuò)散，同時(shí)Mo原子繼續(xù)向基體擴(kuò)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(kuò)散，在表面以下的特定區(qū)域形成了向外擴(kuò)散的Cr原子較多的區(qū)域。的基板。

用DX-2700 X射線衍射儀分析Mo合金改性層的相結(jié)構(gòu)，使用CuK靶，結(jié)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(jì)測(cè)量304不銹鋼管基體和鉬合金試樣的表面顯微硬度。試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)化機(jī)制。在等離子鉬合金化過程中，鉬原子繼續(xù)擴(kuò)散到304不銹鋼管基體中，取代基體內(nèi)的Fe原子形成替代固溶體，使Fe晶格扭曲，使位錯(cuò)難以滑移。

2.3 摩擦磨損性能

摩擦磨損試驗(yàn)采用MFT-R4000往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)， 5mm GCr15球，載荷5N，頻率2Hz，往復(fù)距離5mm，試驗(yàn)溫度20%，相對(duì)濕度和相對(duì)濕度=65%。磨損測(cè)試裝置如圖4如圖所示。實(shí)驗(yàn)過程中，GCr15球在垂直方向?qū)悠肥┘雍銐篜，樣品與小球（固定）作水平方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)摩擦系數(shù)與滑動(dòng)行程的關(guān)系。往復(fù)磨損試驗(yàn)表明，304不銹鋼管基體的摩擦系數(shù)為0.320.49，Mo合金試樣的摩擦系數(shù)為0.450.54。 304不銹鋼管基的摩擦系數(shù)在進(jìn)入階段線性增加0.35，然后在0.35上下浮動(dòng)，滑動(dòng)距離超過18m時(shí)逐漸上升，最后穩(wěn)定在0.45左右。 Mo合金樣品的摩擦系數(shù)直接上升到0.5，然后逐漸下降到0.47左右，最后隨著滑動(dòng)距離的增加穩(wěn)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(shù)比Mo合金試樣略低，但304不銹鋼管的摩擦系數(shù)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(duì)滑動(dòng)時(shí)，隨著磨削時(shí)間的延長(zhǎng)，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(fā)生。因此，304不銹鋼管基體與摩擦副GCr15滾珠具有很強(qiáng)的附著力，增加了滑動(dòng)阻力。它反復(fù)發(fā)生，造成摩擦。系數(shù)曲線顯示連續(xù)波動(dòng)，變化較大。 Mo合金試樣表面硬度高，抗粘連性提高，當(dāng)提高滲透層屈服強(qiáng)度時(shí)，有效降低接觸應(yīng)變，提高耐磨性，摩擦系數(shù)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(shù)略高于304不銹鋼管基體的摩擦系數(shù)。使用WIVS白光相干三維輪廓儀測(cè)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(jù)公式計(jì)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(dòng)距離）。 304不銹鋼管基體和Mo合金層的比磨損率計(jì)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(shù)略有增加，但比磨損率下降近2000倍，表現(xiàn)出非常好的耐磨性。

使用ZeissAxiovert25CA光學(xué)顯微鏡觀察304不銹鋼管基體和Mo合金試樣滑動(dòng)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(chǎn)生嚴(yán)重的塑性流變，導(dǎo)致磨損非常嚴(yán)重，表面為GCr15球-附著粘合劑主要磨損機(jī)制是磨粒磨損和粘附磨損。如如圖7b所示，經(jīng)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(xì)切削磨損的性質(zhì)。

3 結(jié)論

1)鉬對(duì)304不銹鋼管表面進(jìn)行雙光等離子滲滲處理后形成均勻、連續(xù)、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(jié)合，顯微硬度是基體的3.6倍。

2）在往復(fù)磨損試驗(yàn)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(jié)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(jī)制主要是粘著磨損和磨粒磨損，合金Mo層的磨損機(jī)制是細(xì)切削磨損。