電弧增材制造高錳鋼滑動(dòng)磨損研究
時(shí)間：2024-05-22 09:14 來源：金屬磨損與潤滑 作者：admin 閱讀：次
鋼通常被用來維持結(jié)構(gòu)實(shí)體和抵抗機(jī)械變形；磨損失效是鋼構(gòu)件常見的失效方式之一。錳鋼因其優(yōu)良的耐磨性和強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于鐵路、工程機(jī)械等工業(yè)設(shè)備。高錳鋼在惡劣的使用環(huán)境中存在研究的磨損行為，影響著構(gòu)件的服役壽命。合金元素的加入通過影響二次相、晶界結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸來影響鋼的耐磨性。Cr加速了穩(wěn)態(tài)Cr碳化物（M7C3、M23C6和M3C）的形成。M7C3碳化物提高了硬度，防止了磨砂顆粒穿透基底，從而提高了摩擦學(xué)性能。金屬增材制造（金屬3D打�。┦且环N很有前途的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)應(yīng)用，如航空航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、能源、空間、建筑、電子、海洋和海上應(yīng)用，因?yàn)樗軌蛑圃鞆?fù)雜的幾何形狀與定制的功能�；诖�，江蘇科技大學(xué)劉珍光老師團(tuán)隊(duì)利用高錳鋼的加工硬化特征，采用電弧增材制造技術(shù)制備了添加和不添加Cr的高錳鋼涂層。揭示了高錳鋼涂層的微觀形態(tài)和相結(jié)構(gòu)與磨損性能之間的關(guān)聯(lián)性，了解Cr添加對(duì)微觀結(jié)構(gòu)、磨損行為的影響。相關(guān)研究成果發(fā)表在摩擦學(xué)頂刊《Wear》。
相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.wear.2024.205242
研究使用電弧增材制造(WAAM)在碳鋼（Q235）表面包覆了兩層涂層。根據(jù)合金元素Mn和Cr的含量，它們被稱為高錳（HiMn）涂層和高錳中鉻（HiMnMeCr）涂層。將碳鋼在300◦C下預(yù)熱30 min，以減少裂紋的發(fā)生。主要制造參數(shù)為：電流300 A、電壓30 V、涂層速度10.7 m/min、保護(hù)氣體流量（20 % CO2+80 % Ar），10 L/min。根據(jù)以往的試驗(yàn)，選擇和優(yōu)化了制造參數(shù)。制備的涂層分為兩層，厚度為~4 mm。磨損試樣的尺寸為20 mm×20 mm×4 mm。每次磨損試驗(yàn)的速度為50 mm/s，頻率為5 Hz，軌道長度為5 mm，磨損試驗(yàn)時(shí)間為60 min。選取試驗(yàn)參數(shù)來模擬導(dǎo)向滑靴的厚度損失。磨損試驗(yàn)采用了三種加載力（50、100和120 N）。選擇加載力模擬了嚴(yán)重的實(shí)際情況，研究了嚴(yán)重塑性變形情況下應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變和工作硬化效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cr的加入使電弧增材制造HiMn涂層的微觀結(jié)構(gòu)從雙相奧氏體+馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閱螉W氏體。Cr的加入延長了磨損過程的磨合期，由于奧氏體嚴(yán)重的塑性變形，降低了電弧增材制造 HiMnMeCr涂層的耐磨性。在50和100 N的載荷下，HiMn涂層的主要磨損機(jī)制是一種復(fù)雜的磨料和粘合劑磨損模式。然而，在120 N的載荷下，HiMnMeCr涂層的主要磨損機(jī)制是在所有測(cè)試載荷下的磨料磨損。
主要圖表
結(jié)論
在這項(xiàng)研究中，兩種類型的高錳鋼制造使用電弧增材制造技術(shù)闡明鉻的作用添加微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和抗滑動(dòng)磨損通過使用二氧化鋯作為對(duì)抗材料和腐蝕使用OM、SEM、EDS、硬度測(cè)試。新的發(fā)現(xiàn)如下：
HiMn涂層的微觀結(jié)構(gòu)由馬氏體和奧氏體組成。然而，其中一種HiMnMeCr涂層包含奧氏體。
HiMn涂層的磨損率低于HiMnMeCr涂層。在測(cè)試的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，HiMn涂層的磨損過程包括磨合周期和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)周期。然而，HiMnMeCr涂層僅包含一個(gè)磨合期。兩種制備涂層的磨損過程差異歸因于嚴(yán)重的塑性變形引起的加工硬化效應(yīng)。
HiMn涂層的主要磨損機(jī)制從磨料磨損和粘合劑磨損的復(fù)雜模式轉(zhuǎn)變?yōu)閱我徽澈蟿┠p。HiMnMeCr涂層僅顯示出粘合劑磨損。
相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.wear.2024.205242
研究使用電弧增材制造(WAAM)在碳鋼（Q235）表面包覆了兩層涂層。根據(jù)合金元素Mn和Cr的含量，它們被稱為高錳（HiMn）涂層和高錳中鉻（HiMnMeCr）涂層。將碳鋼在300◦C下預(yù)熱30 min，以減少裂紋的發(fā)生。主要制造參數(shù)為：電流300 A、電壓30 V、涂層速度10.7 m/min、保護(hù)氣體流量（20 % CO2+80 % Ar），10 L/min。根據(jù)以往的試驗(yàn)，選擇和優(yōu)化了制造參數(shù)。制備的涂層分為兩層，厚度為~4 mm。磨損試樣的尺寸為20 mm×20 mm×4 mm。每次磨損試驗(yàn)的速度為50 mm/s，頻率為5 Hz，軌道長度為5 mm，磨損試驗(yàn)時(shí)間為60 min。選取試驗(yàn)參數(shù)來模擬導(dǎo)向滑靴的厚度損失。磨損試驗(yàn)采用了三種加載力（50、100和120 N）。選擇加載力模擬了嚴(yán)重的實(shí)際情況，研究了嚴(yán)重塑性變形情況下應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變和工作硬化效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cr的加入使電弧增材制造HiMn涂層的微觀結(jié)構(gòu)從雙相奧氏體+馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閱螉W氏體。Cr的加入延長了磨損過程的磨合期，由于奧氏體嚴(yán)重的塑性變形，降低了電弧增材制造 HiMnMeCr涂層的耐磨性。在50和100 N的載荷下，HiMn涂層的主要磨損機(jī)制是一種復(fù)雜的磨料和粘合劑磨損模式。然而，在120 N的載荷下，HiMnMeCr涂層的主要磨損機(jī)制是在所有測(cè)試載荷下的磨料磨損。
主要圖表
圖1. 所制備的涂料的WAAM工藝示意圖和微觀結(jié)構(gòu)特性
圖2. 使用OM、SEM和EDS制備涂層的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)：(a) HiMn（OM）、(d) HiMnMeCr（OM）、(b) HiMn（SEM）；(e) HiMnMeCr（SEM）；(c) HiMn（EDS）和(f) HiMnMeCr（EDS）
圖3. 制備好的涂層的磨損率。x軸上的數(shù)字提供了加載力的值
圖4. 制備涂層磨損軌跡的深度分布：(a) HiMn-50 N；(b) HiMn-100 N；(c) HiMn-120 N；(d) HiMnMeCr-50 N；(e) HiMnMeCr-100 N；和(f) HiMnMeCr-120 N
圖5. 制備的涂層在不同加載力下的摩擦系數(shù)：(a) HiMn涂層；(b) HiMnMeCr涂層
圖6. 制備涂層沿磨損軌道磨損表面深度方向的硬度變化：(a) HiMn涂層；(b) HiMnMeCr涂層
圖7. 制備涂層磨損軌跡下的截面金相圖：(a)HiMn-50N(b)HiMn-100N(c)HiMn-120N(d)HiMnMeCr-50N(e)HiMnMeCr-100N和(f) HiMnMeCr-120 N
圖8. 磨損軌跡掃描SEM圖像：(a) HiMn-50 N；(b) HiMn-100 N；(c) HiMn-120 N；(d) HiMnMeCr-50 N；(e) HiMnMeCr-100 N；和(f) HiMnMeCr-120 N
圖9. 磨損軌道表面的EDS。(a) HiMn-50 N；(b) HiMn-100 N；(c) HiMn-120 N；(d) HiMnMeCr-50 N；(e) HiMnMeCr-100 N；和(f) HiMnMeCr-120 N
圖10. 涂層磨損機(jī)理示意圖
結(jié)論
在這項(xiàng)研究中，兩種類型的高錳鋼制造使用電弧增材制造技術(shù)闡明鉻的作用添加微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和抗滑動(dòng)磨損通過使用二氧化鋯作為對(duì)抗材料和腐蝕使用OM、SEM、EDS、硬度測(cè)試。新的發(fā)現(xiàn)如下：
HiMn涂層的微觀結(jié)構(gòu)由馬氏體和奧氏體組成。然而，其中一種HiMnMeCr涂層包含奧氏體。
HiMn涂層的磨損率低于HiMnMeCr涂層。在測(cè)試的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，HiMn涂層的磨損過程包括磨合周期和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)周期。然而，HiMnMeCr涂層僅包含一個(gè)磨合期。兩種制備涂層的磨損過程差異歸因于嚴(yán)重的塑性變形引起的加工硬化效應(yīng)。
HiMn涂層的主要磨損機(jī)制從磨料磨損和粘合劑磨損的復(fù)雜模式轉(zhuǎn)變?yōu)閱我徽澈蟿┠p。HiMnMeCr涂層僅顯示出粘合劑磨損。
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