球墨铸铁等离子束表面改性组织与摩擦磨损性能研究

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据不完全统计,全球工业化发达国家损耗的能源中高达30%是以各种形式消耗在摩擦磨损上,占到国内生产总值的1%-2%,而工件的的性能和使用寿命与其工作表面状况有很大的关联。因而开发耐磨材料早已成为影响当代生产的重要因素,也是世界各国材料领域研究发展的一大研究热点。采用高能束(等离子束,激光,电子束)对金属材料表面进行改性(重熔,熔覆,合金化),以改善材料表面的理化性质来增强工件的抗摩擦磨损能力,成为了提高产品质量,节省贵重资源,发展维修与再制造技术,延长机械产品使用寿命的经济且有效的途径。本文以铁素体基球墨铸铁QT450-10为基材,采用高能等离子束对其进行表面重熔和合金化制备高钒高速钢成分涂层,采用光学金相显微镜(OM)、环境/场发射扫描电镜(E/FSEM)、X射线荧光分析(XRF)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计以及滑动摩擦磨损试验机等测试分析手段,系统地研究等离子束表面熔凝层和高钒高速钢表面合金化层对球铁材料的组织和性能的影响。首先研究发现了球铁经等离子表面重熔后横截面主要由熔凝区、热影响区和基体三部分组成。熔凝层组织为渗碳体、共晶莱氏体、细小珠光体、马氏体和部分残留奥氏体,具有典型的白口铁的组织特征;热影响区出现的莱氏体/隐针马氏体组成的双壳组织亦可以提高基体的硬度。重熔层组织的尺寸和枝晶大小随着等离子束功率密度的增加而增加,过低的扫描速度和过高的主弧电流都会造成组织的粗大,导致脆性的增加。通过不同的扫描速度和主弧电流重熔试样,确定最佳工艺参数为:500mm/min,90A。重熔层的显微硬度在630HV0.2至818HV0.2之间浮动,是基体硬度的3.15-4.09倍。其次通过高能等离子束对球墨铸铁表面进行表面合金化高钒高速钢涂层,获得了从表至内依次为类高钒高速钢-白口铁-球铁的梯度材料。合金化层具有明显的金属色,且平整、无明显的裂纹和孔洞。等离子合金化后试样横截面分为合金化区(AZ)、熔凝区(RZ)、热影响区(HAZ)和基体(SUB)四部分。合金化区最高硬度出现在次表层,高达956.5HV0.2,是基体的4.78倍。显微硬度的提高主要归于复合碳化物(MC,M7C3,M23C6,马氏体,合金渗碳体等)的沉淀析出强化,合金元素的固溶强化以及等离子束激冷自淬火导致的细晶强化。合金层大量弥散分布的MC碳化物呈现团球、块,细杆状,表明等离子束合金化高钒高速钢可以在不损害基体的韧性的条件下显著提高球铁表面的硬度。将等离子表面熔凝、表面合金化后的球铁试样和Mn13高猛钢与球铁基体在在室温下进行干摩擦滑动磨损试验,等离子束重熔和等离子束合金化均可以有效提高球铁的摩擦磨损性能。摩擦的主要机理为粘着塑性变形,耐磨性的提高主要归功于合金元素与基体中石墨原位反应生成的MC,M7C3,M23C6,马氏体,合金渗碳体以及马氏体和共晶莱氏体,以及等离子束激冷自淬火导致的细晶强化使得强化层很难被犁沟。这些材料材料的耐摩擦磨损性能从高到低依次为PTA合金化>PTA熔凝> Mn13钢>球铁基体。PTA合金化层和PTA熔凝层的相对耐磨性分别是基体的22.55倍和10.76倍。
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