高能束原位合成碳化铬耐磨层及其摩擦学性能

摘要

摩擦磨损是材料损坏的主要形式之一,研究材料摩擦磨损机理,开发抗磨损材料或者通过在材料表面熔敷耐磨层,提高材料抗磨损性能,延长材料使用寿命,节约资源、降低能耗和环境污染,具有重要的工程应用价值和社会经济效应。
　　 本文采用真空电子束分束旋转扫描和CO2激光扫描两种方法,以Fe/Cr/C(Cr3C2/Fe)合金粉末为熔覆材料,在903钢表面原位合成碳化物表面复合层。通过对熔敷试样的表面复合层进行金相分析,扫描电镜分析和X射线衍射分析,以及显微硬度测试和室温干滑动磨损试验,对不同试样表面复合层的组织、硬度和耐磨损性能进行评价,并对表面复合层在室温干滑动条件下的磨损机理进行探讨；通过对电子束原位合成的表面复合层进行热处理,研究分析其组织和抗磨损性能的变化。
　　 通过对熔化基材的稀释率和扫描过程中元素损耗率计算可以得出表面复合层中铬、碳元素的含量范围,基于Fe-Cr-C三元相图分析,可以设计和控制预测表面熔敷复合层的基本组织结构。
　　 论文设计了四种配比的Fe/Cr/C合金粉末,考察不同成分的合金粉末对表面复合层组织和性能的影响。论文发现按照表面复合层中铬碳元素含量的高低,四种不同配比的Fe/Cr/C合金粉末制备的试样出现四种不同的组织特征。按含碳量从高到低次序分别是过共晶组织、共晶组织、亚共晶组织和马氏体组织。过共晶组织以粗大的初生碳化物为主要特征,韧性相为奥氏体和碳化物的共晶组织,显微硬度达到了基体材料的3.4倍；共晶组织的碳化物为细长粒状或杆状、呈菊族状分布,表面复合层的显微硬度达到了母材3倍；亚共晶组织由先析出奥氏体枝状晶和奥氏体与碳化物的共晶组织组成,碳化物的颗粒非常细小,少部分共晶碳化物相互连接形成网络状组织；当碳含量较低时,表面复合层碳化物含量很少,主要为马氏体组织。表面复合层的硬度主要与其所含的碳化物的量有关,碳化物含量越高,其硬度也越大；马氏体组织由于含有过饱和的碳原子,导致严重的晶格畸变,其硬度相比基材也有很大提高,大约为基材的2倍。此外,真空电子束扫描制备的表面复合层存在着浓度梯度和组织梯度,各种粉末配比制备的表面复合层呈现不同程度的梯度特征,这是由于电子束对熔池的搅拌作用的特点和903钢对合金稀释作用造成的。这种表面复合层纵向存在的成分和组织梯度对复合层与903钢基体结合和提高复合层表面耐磨性是有利的。
　　 采用激光扫描制备表面复合层时,由于加热速度快,时间短,熔炼时熔池中元素难以充分、均匀扩散,生成的表面复合层组织存在不均匀性,铬、碳含量较大的区域形成了奥氏体枝状晶和M7C3/γ-Fe共晶组织,共晶碳化物颗粒极为细小；铬、碳含量较少的区域,主要生成马氏体组织。激光扫描合成表面复合层时,扫描轨迹重叠的部分存在重熔区和二次加热区,二次加热区的组织主要为奥氏体组织,其硬度有所下降。
　　 电子束原位合成表面复合层的耐磨损性能跟其组织形貌密切相关。过共晶组织的表面复合层组织抗磨损性能最好,共晶组织和亚共晶组织表面复合层抗磨损性能次之,在转速为250r/min时,过共晶组织、共晶组织和亚共晶组织的表面复合层相对耐磨性分别达到903钢11.7、8.5和5.1倍。在低应力磨损状态下,过共晶和共晶组织表面复合层中大量的碳化物能够有效地阻止磨料表面微凸体刺入形成微观切削机制,而奥氏体相能有效地组织裂纹的生成和扩展,对碳化物相起到很好的支撑作用。亚共晶组织表面复合层中细小的共晶碳化物组织尺寸远大于表面微凸体能造成的犁沟尺寸,能够有效地抵御磨粒的刺入和划痕,同时又不容易剥落,其耐磨性也较好。根据存在硬质相材料的磨粒磨损模型,作者提出的含碳化物表面复合层在磨粒磨损机理下磨损体积的估算公式,理论计算与实验结果相吻合。马氏体组织表面复合层与GCr15钢球发生了严重的粘着磨损,而且马氏体基体中微量存在的碳化物,增加了裂纹敏感性,裂纹容易扩展,通过切削作用导致表面材料除去,限制了其耐磨性能,其相对耐磨性约为903钢的2.1倍。激光制备表面复合层的组织存在不均匀性,其磨损机理也比较复杂,磨粒磨损和粘着磨损各占一定的比例,摩擦系数的波动较大。
　　 对过共晶组织的表面复合层试样进行后热处理发现:在1000℃和900℃高温下,奥氏体软质相中析出更多的细粒状二次碳化物；初生碳化物和共晶碳化物没有发生明显转变,在该温度下能够稳定存在；试样经过空冷后软质相仍为奥氏体组织,奥氏体中铬元素的含量下降较明显。扩散到基体的铬元素和碳元素也大量增加,熔合线的组织由奥氏体转变为马氏体组织。过共晶组织表面复合层在800℃正火处理后,软质相奥氏体大部分转变为铁素体平衡相,由于铁素体溶碳量的下降,原软质相奥氏体中铬元素和碳元素的扩散析出了大量的二次碳化物。经过热处理后试样的硬度都略有下降,数值却更加平均。
　　 经过三种不同温度热处理后试样的耐磨性都有所提高。热处理对表面复合层耐磨损性能的影响主要通过其组织中二次碳化物的析出和晶界位错塞积的减少；晶界处位错塞积的减少比二次碳化物的析出对耐磨性具有更大的影响；经过1000℃热处理后的试样尽管其析出的二次碳化物数量较少,但其最大程度地减小了奥氏体与碳化物界面处的位错塞积,其相对耐磨性提高了16.5％；经过800℃热处理的试样析出的二次碳化物最多,其相对耐磨性提高了12.9％。
　　 论文基于金属基复合材料的理念利用电子束熔炼扫描系统和CO2激光束实现了在低碳钢表面原位合成(Cr,Fe)7C3碳化物表面复合层,为提高材料耐磨损性能的表面改性提供了新的途径。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景和问题的提出

1.2 铬系耐磨合金的研究现状

1.3 表面处理技术

1.3.1 热喷涂技术

1.3.2 堆焊技术

1.3.3 电子束表面改性技术

1.3.4 激光束表面改性技术

1.4 主要研究内容、意义及技术路线

第二章 试验材料及方法

2.1 电子束原位合成耐磨层材料设计

2.1.1 Fe-Cr-C三元相图分析

2.1.2 四种不同Fe/Cr/C粉末成分设计

2.2 电子束扫描熔敷试验平台

2.3 电子束原位合成耐磨层工艺参数设计

2.4 激光扫描原位合成耐磨层

2.5 摩擦磨损试验仪

2.6 微观分析设备及方法

2.7 本章小结

第三章 高能束原位合成碳化铬耐磨层的组织与显微硬度

3.1 四种不同Fe/Cr/C粉末配比原位合成复合层的显微组织

3.1.1 表面复合层形态及其化学成分估算

3.1.2 Fe-Cr-C系热力学计算与分析

3.1.3 不同配比表面复合层微观组织特征

3.2 四种不同粉末配比表面熔覆层的显微硬度

3.3 Cr3C2/Fe混合粉末熔覆层的组织及显微硬度

3.4 激光原位合成复合层的组织及显微硬度

3.5 本章小结

第四章 高能束原位合成碳化铬复合层的耐磨性及磨损机理

4.1 摩擦磨损试验条件

4.2 四种不同微观组织的表面复合层的摩擦磨损性能

4.3 Cr3C2/Fe粉末制备表面复合层的摩擦磨损性能

4.3 激光熔覆表面复合层的耐磨性

4.5 不同微观组织表面复合层的抗磨机制

4.6 磨粒磨损机理下的磨损量估算

4.7 本章小结

第五章 后热处理对表面复合层组织及耐磨性的影响

5.1 热处理工艺

5.2 热处理对试样组织的影响

5.3 表面复合层热处理前后的TEM形貌及电子衍射花样

5.4 表面复合层热处理前后显微硬度变化

5.5 表面复合层热处理前后耐磨性能及磨损机理

5.6 本章小结

主要结论及创新点

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文