高能束原位合成碳化鉻耐磨層及其摩擦學(xué)性能.pdf

1、摩擦磨損是材料損壞的主要形式之一,研究材料摩擦磨損機(jī)理,開發(fā)抗磨損材料或者通過在材料表面熔敷耐磨層,提高材料抗磨損性能,延長材料使用壽命,節(jié)約資源、降低能耗和環(huán)境污染,具有重要的工程應(yīng)用價值和社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。
　　 本文采用真空電子束分束旋轉(zhuǎn)掃描和CO2激光掃描兩種方法,以Fe/Cr/C(Cr3C2/Fe)合金粉末為熔覆材料,在903鋼表面原位合成碳化物表面復(fù)合層。通過對熔敷試樣的表面復(fù)合層進(jìn)行金相分析,掃描電鏡分析和X射線衍射分

2、析,以及顯微硬度測試和室溫干滑動磨損試驗,對不同試樣表面復(fù)合層的組織、硬度和耐磨損性能進(jìn)行評價,并對表面復(fù)合層在室溫干滑動條件下的磨損機(jī)理進(jìn)行探討；通過對電子束原位合成的表面復(fù)合層進(jìn)行熱處理,研究分析其組織和抗磨損性能的變化。
　　 通過對熔化基材的稀釋率和掃描過程中元素?fù)p耗率計算可以得出表面復(fù)合層中鉻、碳元素的含量范圍,基于Fe-Cr-C三元相圖分析,可以設(shè)計和控制預(yù)測表面熔敷復(fù)合層的基本組織結(jié)構(gòu)。
　　 論文設(shè)計了四

3、種配比的Fe/Cr/C合金粉末,考察不同成分的合金粉末對表面復(fù)合層組織和性能的影響。論文發(fā)現(xiàn)按照表面復(fù)合層中鉻碳元素含量的高低,四種不同配比的Fe/Cr/C合金粉末制備的試樣出現(xiàn)四種不同的組織特征。按含碳量從高到低次序分別是過共晶組織、共晶組織、亞共晶組織和馬氏體組織。過共晶組織以粗大的初生碳化物為主要特征,韌性相為奧氏體和碳化物的共晶組織,顯微硬度達(dá)到了基體材料的3.4倍；共晶組織的碳化物為細(xì)長粒狀或桿狀、呈菊族狀分布,表面復(fù)合層的顯

4、微硬度達(dá)到了母材3倍；亞共晶組織由先析出奧氏體枝狀晶和奧氏體與碳化物的共晶組織組成,碳化物的顆粒非常細(xì)小,少部分共晶碳化物相互連接形成網(wǎng)絡(luò)狀組織；當(dāng)碳含量較低時,表面復(fù)合層碳化物含量很少,主要為馬氏體組織。表面復(fù)合層的硬度主要與其所含的碳化物的量有關(guān),碳化物含量越高,其硬度也越大；馬氏體組織由于含有過飽和的碳原子,導(dǎo)致嚴(yán)重的晶格畸變,其硬度相比基材也有很大提高,大約為基材的2倍。此外,真空電子束掃描制備的表面復(fù)合層存在著濃度梯度和組織梯

5、度,各種粉末配比制備的表面復(fù)合層呈現(xiàn)不同程度的梯度特征,這是由于電子束對熔池的攪拌作用的特點和903鋼對合金稀釋作用造成的。這種表面復(fù)合層縱向存在的成分和組織梯度對復(fù)合層與903鋼基體結(jié)合和提高復(fù)合層表面耐磨性是有利的。
　　 采用激光掃描制備表面復(fù)合層時,由于加熱速度快,時間短,熔煉時熔池中元素難以充分、均勻擴(kuò)散,生成的表面復(fù)合層組織存在不均勻性,鉻、碳含量較大的區(qū)域形成了奧氏體枝狀晶和M7C3/γ-Fe共晶組織,共晶碳化物顆

6、粒極為細(xì)?。汇t、碳含量較少的區(qū)域,主要生成馬氏體組織。激光掃描合成表面復(fù)合層時,掃描軌跡重疊的部分存在重熔區(qū)和二次加熱區(qū),二次加熱區(qū)的組織主要為奧氏體組織,其硬度有所下降。
　　 電子束原位合成表面復(fù)合層的耐磨損性能跟其組織形貌密切相關(guān)。過共晶組織的表面復(fù)合層組織抗磨損性能最好,共晶組織和亞共晶組織表面復(fù)合層抗磨損性能次之,在轉(zhuǎn)速為250r/min時,過共晶組織、共晶組織和亞共晶組織的表面復(fù)合層相對耐磨性分別達(dá)到903鋼11.7

7、、8.5和5.1倍。在低應(yīng)力磨損狀態(tài)下,過共晶和共晶組織表面復(fù)合層中大量的碳化物能夠有效地阻止磨料表面微凸體刺入形成微觀切削機(jī)制,而奧氏體相能有效地組織裂紋的生成和擴(kuò)展,對碳化物相起到很好的支撐作用。亞共晶組織表面復(fù)合層中細(xì)小的共晶碳化物組織尺寸遠(yuǎn)大于表面微凸體能造成的犁溝尺寸,能夠有效地抵御磨粒的刺入和劃痕,同時又不容易剝落,其耐磨性也較好。根據(jù)存在硬質(zhì)相材料的磨粒磨損模型,作者提出的含碳化物表面復(fù)合層在磨粒磨損機(jī)理下磨損體積的估算公

8、式,理論計算與實驗結(jié)果相吻合。馬氏體組織表面復(fù)合層與GCr15鋼球發(fā)生了嚴(yán)重的粘著磨損,而且馬氏體基體中微量存在的碳化物,增加了裂紋敏感性,裂紋容易擴(kuò)展,通過切削作用導(dǎo)致表面材料除去,限制了其耐磨性能,其相對耐磨性約為903鋼的2.1倍。激光制備表面復(fù)合層的組織存在不均勻性,其磨損機(jī)理也比較復(fù)雜,磨粒磨損和粘著磨損各占一定的比例,摩擦系數(shù)的波動較大。
　　 對過共晶組織的表面復(fù)合層試樣進(jìn)行后熱處理發(fā)現(xiàn):在1000℃和900℃高溫

9、下,奧氏體軟質(zhì)相中析出更多的細(xì)粒狀二次碳化物；初生碳化物和共晶碳化物沒有發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變,在該溫度下能夠穩(wěn)定存在；試樣經(jīng)過空冷后軟質(zhì)相仍為奧氏體組織,奧氏體中鉻元素的含量下降較明顯。擴(kuò)散到基體的鉻元素和碳元素也大量增加,熔合線的組織由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。過共晶組織表面復(fù)合層在800℃正火處理后,軟質(zhì)相奧氏體大部分轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體平衡相,由于鐵素體溶碳量的下降,原軟質(zhì)相奧氏體中鉻元素和碳元素的擴(kuò)散析出了大量的二次碳化物。經(jīng)過熱處理后試樣的硬度

10、都略有下降,數(shù)值卻更加平均。
　　 經(jīng)過三種不同溫度熱處理后試樣的耐磨性都有所提高。熱處理對表面復(fù)合層耐磨損性能的影響主要通過其組織中二次碳化物的析出和晶界位錯塞積的減少；晶界處位錯塞積的減少比二次碳化物的析出對耐磨性具有更大的影響；經(jīng)過1000℃熱處理后的試樣盡管其析出的二次碳化物數(shù)量較少,但其最大程度地減小了奧氏體與碳化物界面處的位錯塞積,其相對耐磨性提高了16.5％；經(jīng)過800℃熱處理的試樣析出的二次碳化物最多,其相對耐磨