您好,欢迎访问温州德圣钢业有限公司!​

预约上门| 联系我们

全国24服务热线

0578-8938361
行业新闻 公司新闻
304不锈钢管表面Mo合金化改性层组织结构及耐磨性研究
时间:2021-04-13 08:32:00        点击量:【 】次

提高304不锈钢管表面耐磨性能。方法利用双辉等离子合金化技术,使304不锈钢管表面形成Mo合金化渗层。分析渗层的成分分布和相结构,对比基体材料和Mo合金化改性层的硬度、磨痕形貌和摩擦磨损性能。结果所制备的Mo合金化渗层均匀致密,9.6um,主要由纯Mo相构成。合金化元素Mo在渗层中从基体表面到内部呈梯度分布,表面显微硬度值达806HV0.05。在干摩擦条件下,Mo合金化渗层的比磨损率仅为304不锈钢管基体的1/84,使材料的抗磨损性能得到明显改善。结论双辉等离子Mo合金化能够有效改善304不锈钢管的抗磨损性能。

不锈钢具有良好的耐腐蚀性能、较高的抗拉强度、较低的屈服点、极好的塑性和韧性,被广泛应用于汽车零部件、医疗机械、海洋工程等行业。但是其本身也存在一些不足,如表面硬度低,耐磨性差,在摩擦过程中与对偶极易产生粘着、转移并形成粘着磨损,这阻碍了其进一步应用。表面处理技术是提高材料耐磨性能最为直接有效的方法。目前,不锈钢表面处理技术主要包括离子氮化、化学镀和热浸镀、离子注入、镀膜技术、激光表面熔覆技术及双辉等离子渗金属等。其中双辉等离子渗金属技术是近年发展起来的一种表面合金化技术,由于具有合金元素选择范围大、工艺简单可控、渗入速度快、节能环保等优点,越来越引起学术界及工业界的重视。Mo元素具有熔点高和杨氏模量高的优点,常被用作合金元素来提高钢的延展性、韧性及耐磨性。为了提高304不锈钢管的表面硬度和耐磨性能,文中利用双辉等离子渗金属技术对304不锈钢管进行等离子Mo合金化,分析了表面Mo合金化改性层的成分及结构组成,重点研究了Mo合金化渗层的摩擦磨损性能。

1等离子渗Mo

所用304不锈钢管的化学成分见表1。试样尺寸为20mm×5mm,经去离子水清洗、水砂纸磨光(360#1500#)、抛光、丙酮清洗、热风吹干后,进行双辉等离子渗Mo。源极为纯度99.95%的钼靶,尺寸为80mm×5mm

采用自制LS-450型双层辉光等离子渗金属炉进行离子渗Mo,WDL-31型光电测温仪测温。首先,将渗金属炉抽真空至8Pa以下,然后通入氩气,打开阴极电源,对试样进行预溅射,当阴极电压升高到370V左右时,304试样开始起辉放电,高能氩离子的轰击使试样温度不断升高并去除试样表面氧化层。当试样温度升高至400益时,打开源极电压,此时随着源极起辉放电,在源极(钼靶)和阴极(304试样)之间形成了空心阴极效应,试样升温加速。待试样升温至1000益时,调整阴极和源极电压,使温度稳定在1000益进行渗Mo,保温1h后关闭阴极和源极电源,试样随炉冷却。具体工艺参数如下:渗金属温度1000,保温时间1h,工作气压35Pa,-源极距离15mm,源极电压650~900V,阴极电压300~600V

2表征及结果分析

2.1合金层的结构特征

2.1.1截面分析

NanoSEM430型扫描电子显微镜观察Mo合金化改性层的截面组织形貌,如图1所示。可见304不锈钢管试样经双辉等离子Mo合金化后,表面形成了一层均匀、致密且与基体结合良好的合金化改性层,渗层厚约9.6um

2.1.2成分及相结构分析

SpectroGDA750辉光放电光谱成分分析仪(GDOES)分析Mo改性合金层沿层深的成分分布,结果如图2所示。在预溅射过程中,试样表面承受大量高能氩离子轰击,表层和次表层产生大量的空位缺陷,降低了扩散所需要的能量,从而更加有利于原子扩散。Mo元素与Fe元素的原子半径接近,Mo原子在基体中不断置换Fe原子并以固溶体的方式存在。在双辉等离子渗Mo过程中,源极中溅射出来的Mo原子不断被阴极表面吸收,吸附的Mo原子快速占据试样表面离子轰击所产生的空位,且不断向内部扩散,形成了Mo元素含量由表及里逐渐降低而呈梯度分布的改性层。这种梯度分布的改性层与基体具有较高的结合强度。Mo元素在基体表面的质量分数最高达82%,而后逐渐下降;而基体元素Fe在最表面的质量分数仅为12%,其成分分布曲线与Mo元素的变化趋势相反。Cr元素在2.5~5.0um处形成一个富集区,原因可能是:304不锈钢管离子合金化过程中,基体内部的Cr原子不断向表面扩散,与此同时Mo原子不断向基体内部扩散,使Mo合金化渗层越来越厚,已经形成的Mo合金层对Cr原子向外扩散有阻碍作用,使得向外扩散的Cr原子在基体表面下某一区域形成一个富集区。

DX-2700X射线衍射仪分析Mo合金化改性层的相结构,使用CuK琢靶,结果如图3所示。Mo合金层主要由Mo原子在Fe原子中的固溶体组成。

2.2显微硬度

LECOM-400-H1型显微硬度仪测304不锈钢管基体和Mo合金化试样的表面显微硬度。测试表明,基体的平均显微硬度为224HV0.05;Mo合金化试样表面的平均显微硬度为806HV0.05,是基体的3.6倍。Mo合金化试样表面硬度显著提高可能源于固溶强化机制。在等离子Mo合金化过程中,Mo原子不断扩散进入304不锈钢管基体,置换基体内部的Fe原子形成置换固溶体,造成Fe的晶格发生了畸变,使位错的滑移难以进行。

2.3摩擦磨损性能

摩擦磨损实验在MFT-R4000往复式摩擦磨损实验机上进行,条件如下:配副为5mmGCr15,载荷5N,频率2Hz,往复距离5mm,实验温度20,相对湿度RH=65%。磨损实验装置如图4所示。实验时,GCr15球在垂直方向对试样施加恒定压力P,试样相对于小球(固定)在水平方向上作往复运动,试样受到的摩擦力f由计算机实时监测。

5为干摩擦条件下,304不锈钢管基体和Mo合金化试样分别与GCr15小球对磨30m的摩擦系数-滑动行程关系曲线。往复磨损试验表明,304不锈钢管基体的摩擦系数为0.32~0.49,Mo合金化试样的摩擦系数为0.45~0.54304不锈钢管基体的摩擦系数在跑合阶段线性增大到0.35,随后在0.35上下浮动;当滑动距离超过18m,又逐渐上升,最后稳定在0.45左右。Mo合金化试样的摩擦系数直接上升到0.5,而后缓慢下滑至0.47左右,随着滑动距离的增加,最后稳定在0.5左右。

从图5可以看出,虽然304不锈钢管基体的摩擦系数比Mo合金化试样稍低,但是其摩擦系数的变化幅度较大(0.32~0.49),Mo合金化试样的变化幅度较小(0.45~0.54)。主要原因是:304不锈钢管基体与GCr15小球发生相对滑动时,硬度较低的304不锈钢管基体与摩擦副的接触面积随着对磨时间的延长而不断增大,发生了局部塑性变形,从而导致304不锈钢管基体与摩擦副GCr15球产生了很强的粘着,使得滑动的阻力增加;随着相对滑动的继续进行,塑性变形区域内的粘着点被剪断,粘着-剪断反复出现,使摩擦系数曲线呈现出变化幅度较大的连续波动状。而Mo合金化试样表面硬度较高,抗粘着性增强,渗层屈服强度的提高有效地减小了接触应变,提高了磨损抗力,使摩擦系数曲线的变化幅度较小。但是在等离子合金化过程中,离子轰击使合金化试样表面粗糙度增加,使得Mo合金化试样的摩擦系数比304不锈钢管基体稍高。用WIVS白光干涉三维轮廓仪测304不锈钢管基体和Mo合金化试样的磨痕截面轮廓,如图6所示。可以看出,基体磨痕最大深度约为15.6um,而表面Mo合金化后磨痕最大深度仅为0.95um。基体和合金化试样的磨痕宽度分别为0.801,0.156mm。磨痕宽度和深度都大幅减小,说明304不锈钢管合金化后耐磨性提高。

根据公式计算304不锈钢管基体和Mo合金化试样与GCr15球对磨30m的比磨损率:K=Vv/(PS)(K为比磨损率,Vv为磨损体积,P为法向载荷,S为滑动距离)。算得304不锈钢管基体和Mo合金化渗层的比磨损率分别为27.8×10-5,0.33×10-5mm3/(N·m),后者是前者的1/84。虽然304不锈钢管试样双辉等离子渗Mo后的摩擦系数稍有升高,但其比磨损率下降了近2个数量级,表现出了极其优异的抗磨特性。

ZeissAxiovert25CA光学显微镜观察304不锈钢管基体和Mo合金化试样滑动摩擦30m后的磨痕形貌。如图7a所示,基体磨痕较宽且存在大量明显的犁沟,因犁削、撕裂而产生了严重的塑性流变,磨损很严重,表面附着有GCr15小球的粘着物,其主要磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损。如图7b所示,Mo处理改性层硬度较高,高能氩离子轰击使试样表面凹凸不平,渗层表面的突起对GCr15摩擦副有切削作用,磨痕有少量的犁沟,无明显的塑性流变和粘着等迹象,表面比较平整,磨痕宽度明显变窄,体现出了微切削磨损的特征。

3结论

1) 304不锈钢管表面经双辉等离子渗Mo处理后,形成了均匀、连续、致密且成分呈梯度分布的合金化渗层。渗层厚度为9.6um,主要由纯Mo相组成,与基体呈冶金结合,显微硬度是基体的3.6倍。

2) 在往复磨损实验条件下,合金化渗层的比磨损率仅为基体的1/84,表现出极其优异的抗磨损性能。渗层硬度高,并与基体呈冶金结合,Mo合金化试样耐磨性能提高的主要原因。

3) 干摩擦条件下,304基体的磨损机制主要是粘着磨损和磨粒磨损,合金化渗Mo层的磨损机制为微切削磨损。

不锈钢管厂家生产基地:浙江省松阳县叶村乡松青路16号 Copyright © 2002-2019 浙江德圣钢业有限公司 不锈钢无缝管 (网站备案中)         

x
现在留言,无需等待!

收到你的留言,我们将第一时间与你取得联系