（材料学专业论文）铸钢表面渗层摩擦性能的研究.pdf

硕十学何论文 m l _mmm 摘要 导卫板是钢材轧制生产线上重要的辅助装置，它主要用于诱导、央 持轧件( 钢丝) 顺利通过，在实际生产中，导卫板的磨损破坏非常严重， 因此导卫板材料的创新以及改良显得十分必要，本论文以导卫板应用为 背景，采用负压铸渗工艺在z g 4 5 表面制备了一层耐磨、耐高温氧化的镍 基渗层和z r 0 2 n i 复合渗层。 采用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、e p m a 、x 射线衍射仪、显微 硬度计、瑞士产t h t 高温摩擦试验机、m m 2 0 0 常温摩擦试验机等工具 对渗层的相结构、硬度、常温和高温耐磨性进行分析，结果表明： 镍基合金渗层的相组成主要为n i c r f e ，c r n i ，f e n i ，n ib ，镍基渗层 从渗层到基体的显微硬度呈梯度分布，渗层的最高硬度出现在亚表层， 达到5 4 8 h v ，以渗层与g c r l5 做配副，对渗层的常温摩擦磨损性能进行 了研究，渗层的体积磨损率较之基体的体积磨损率降低了一个数量级( 载 荷为25 0 n 时基体的磨损率为4 9 9 10 4 m m 3 m ，镍基渗层磨损率为9 6 l0 - s m m 3 m ) 。用扫描电镜对磨损形貌进行观察，分析渗层的磨损机制可 知渗层的磨损机制主要是氧化，转移和粘着；以渗层与s i3 n 4 做配副研究 渗层的高温摩擦性能，结果表明，渗层的磨损率并不是随着温度的升高 而增加，原因是在高温环境下金属与氧反应生成氧化膜参与了磨损过程 改变了磨损性质。 z r 0 2 n i 复合渗层的相为z r 0 2 ，c r 2 b ，n ib ，n if e 以渗层与g c r 15 做配 副，对渗层的常温滑动摩擦进行了研究，复合渗层的体积磨损率与镍基 渗层的体积磨损率在一个数量级( 载荷为2 5o n 时镍基渗层的磨损率为 9 6 10 - s m m 3 m 而复合渗层磨损率为2 3 l0 - s m m3 m ) ，较之基体的体积 磨损率降低了一个数量级。以复合渗层与s i3 n 4 做配副研究渗层的高温摩 擦性能得出：10 z r 0 2 渗层在高温4 5 0 的磨损体积为2 2 10 - s m m 3 几 乎是室温是磨损体积1 32 l0 - s m m 3 的2 倍；l5 z r 0 2 渗层在室温时的 磨损体积为0 8l l0 巧m m 3 。15 0 时的磨损体积为1 57 l0 - s m m 3 ，3 0 0 时磨损体积为1 6 9 l0 5m m 3 ，4 50 时的磨损体积为1 57 l0 5m m 3 各个温度的磨损体积相差不是很大，只是有略微的变化。总之，在不同 的温度下15 z r 0 2 渗层的耐磨性要优于10 z r 0 2 渗层的耐磨性 高温摩擦时摩擦系数随温度的升高而降低( 镍基渗层在室温是o 7 8 升温到4 5 0 是变为0 35 ；l5 z r 0 2 渗层在室温的摩擦系数为0 6 9 、l5 0 时的摩擦系数为0 6 7 、30 0 时摩擦系数为0 6 4 、4 5 0 摩擦系数为 0 6 2 ) ，其原因是温度升高改变了材料表面的属性以及氧参与摩擦改变了 铸钢表丽渗戾摩擦性能的研究 摩擦性质。 通过对高温摩擦定量描述模型的建立可得出高温摩擦磨损增量与时 问不呈线性关系与时间也不成抛物线关系，若给出出磨损条件下氧化的 分量，即可估算出交互作用的失重。 关键词：负压铸渗；滑动摩擦；高温摩擦 硕十学位论文 a bs t r a c t g u i d ep l a t ei sa ni m p o r t a n ta c c e s s o r yd e v i c ef o rs t e e ll i n er o l l i n g p r o d u c t i o nw h i c hm a i n l yu s e df o ri n d u c t i o n ，g r i p p i n gr o l l e rp i e c e ( s t e e l ) p a s s e d i n t h ea c t i o np r o d u c t i o nt h ep l a t ew e a rd a m a g ei s v e r ys e r i o u s b a s e do nt h eg u i d ep l a t es p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n g u i d ep l a t em a t e r i a l h a sb e c o m er e a l l yi m p o r t a n tf o ri n n o v a t i o na n di m p r o v e m e n t i nt h i sp a p e r aw e a r - r e s i s t a n ta n dh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o n r e s i s t a n to ft h ei n f i l t r a t e d n ib a s e dl a y e ra n dc o m p o s i t el a y e ro fz r 0 2 n iw e r ep r o d u c e do nt h ez g 4 5 s u r f a c et h r o u g hv a c u u mi n f i l t r a t i o nt e c h n i q u ea c c o r d i n gt ot h e w o r k c o n d i t i o no fg u i d ep l a t e b yu s i n gs e m ，e p m a ，e d s ，x r d ，m i e r o h a r d n e s s t e s t e r ，t h t f r i c t i o n t e s t e rw h i c hm a d ei ns w i t z e r l a n da n dm m 一2 0 0o r d i n a r yt e m p e r a t u r ef r i c t i o n t e s t e rt h ei n f i l t r a t e dp h a s es t r u c t u r e ，h a r d n e s s ，o r d i n a r yt e m p e r a t u r ea n d h i g ht e m p e r a t u r ew e a rr e s i s t a n th a v eb e e ns t u d i e d t h er e s u l ts h o w e d ： t h em a j o rp h a s eo ft h en ib a s e dl a y e rw e r en i c r f e ，f e b ，f e n ia n dn i b t h em i c r o h a r d n e s so ft h en ib a s e dl a y e ri st e s t e d t h er e s u l ts h o w e d ：t h e h i g h e s th a r d n e s so ft h en ib a s e dl a y e ri s 5 4 8h vw h i c hh a p p e n e di nt h e l a y e rs u b s u r f a c e t h e r ei sah a r d n e s sg r a d e sf r o mt h en ib a s e dl a y e rt ot h e s t e e lb a s e t h ei m p a c to r d i n a r yt e m p e r a t u r ew e a rr e s i s t a n c eo fn ib a s e d l a y e ri s t e s t e d b ym m - 2 0 0f r i c t i o nt e s t e r t h er e s u l t s h o w ：t h ew e a r r e s i s t a n to ft h en ib a s e dl a y e ri si n c r e a s e do b v i o u s l yc o m p a r i n gw i t ht h e z g 4 5s u b s t r a t e w e a rr a t eo fn ib a s e ds u r f a c el a y e ra n dt h es u b s t r a t e d i f f e rb yo n eo r d e r so fm a g n i t u d e ( t h ew e a rr a t eo fz g 4 5i s4 9 9 10 - 4 m m 3 ma tt h el o a d so f2 5 0 n b u tt h ew e a rr a t eo fn ib a s e dl a y e ris9 6 10 - 5 m m 3 ma tt h el o a d o f2 5 0 n 1 t h ew e a rm e c h a n i s mw a sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h eo b s e r v a t i o nr e s u l t so fw e a rm o r p h o l o g i e s t h er e s u l ts h o w ： t h ew e a rm e c h a n i s mo fl a y e rw e r em a i n l yc o n t r o l l e db yo x i d a t i o n ，t r a n s f e r ， a d h e r e n c e t h eh i g ht e m p e r a t u r ew e a rr e s i s t a n c eo fn ib a s e dl a y e ri st e s t e d b yt h tf r i c t i o nt e s t e rw h i c hm a d ei ns w i t z e r l a n d t h er e s u l ts h o w ：t h en i b a s e d1 a y e rw e a rr a t ed i dn o ti n c r e a s ea c c o r d i n gt h er i s eo ft e m p e r a t u r e t h er e a s o ni st h a to x i d a t i o nf i l mf o r m e du n d e rh i g ht e m p e r a t u r ew h i c h c h a n g i n gt h ew e a rp r o p e r t i e s t h em a j o rp h a s eo ft h ec o m p o s i t el a y e ro fz r 0 2 n iw e r ez r 0 2 ，c r 2 b ，n i b a n df e n i t h ei m p a c to r d i n a r yt e m p e r a t u r ew e a rr e s i s t a n c eo fz r 0 2 n i1 a y e r 铸钢表而渗层摩擦性能的研究 i st e s t e db vm m 2 0 0f r i c t i o nt e s t e r t h er e s u l ts h o w ：w e a rr a t e0 ft h e s u r f a c ez r 0 2 n ic o m p o s i t el a y e ra n dt h en ib a s e di n f i l t r a t e dl a y e rk e e pi n t h es a m em a g n i t u d e ( t h ew e a rr a t eo fn ib a s e dl a y e ri s9 6 lo 。m m ma t t h el o a do f2 5 0 na n dt h ec o m p o s i t el a y e ro fz r 0 2 n ii s2 3 l0 叼m m 。ma t t h el o a do f2 5 0 n ) t h eh i g ht e m p e r a t u r ew e a rr e s i s t a n c eo fz r 0 2 n il a y e ri s t e s t e db yt h tf r i c t i o nt e s t e rw h i c hm a d ei ns w i t z e r l a n d t h er e s u l ts h o w ： t h ew e a rr e s i s t a n c eo fl5 z r 0 2 n i l a y e r i s s u p e r i o r t ot h ew e a r r e s i s t a n c eo flo z r 0 2 n il a y e r t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fl a y e rd e c r e a s ew i t ht h et e m p e r a t u r er i s e ( t h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f n ib a s e dl a y e ri s0 7 8a tt h eo r d i n a r yt e m p e r a t u r eb u t t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h el a y e ri s0 35w h e nt h et e m p e r a t u r er e a c hu pt o 4 5 0 1 t h ep r o p e r t i e so ft h em a t e r i a ls u r f a c ew o u l db ec h a n g e da tt h eh i g h t e m p e r a t u r ea n dt h ef r i c t i o np r o p e r t i e sw o u l db ec h a n g e d w h e no x y g e nj o i n i nt h ew e a rp r o c e s s b yb u i l d i n gh i g ht e m p e r a t u r ew e a re x t e n tq u a n t i f yd i s c r i p t i o nm o d e w e k n o w ：t h ew e a re x t e n ta n dt i m ew e r en e i t h e r1 i n e a rf u n c t i o nr e l a t i o nn o r p a r a b o l ar e l a t i o n i fg i v e n t h eo x i d a t i o nw e i g h tc o m p o n e n tu n d e rt h e c o n d i t i o no fw e a rt h ei n t e r a c t i o no fw e i g h t l e s s n e s sc a nb ee s t i m a t e d k e y w o r d s ：v a c u u mi n f i l t r a t i o nc a s t i n g ；s l i d i n gf r i c t i o n ；h i g h t e m p e r a t u r ef r i c t i o n 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者躲弘z 彳覆日期游莎月朋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 影匹张 ， 聊繇秘 l m 7 彳 日期：扣f 辞月p 日 日期矽t o 年占月，。日矽6 ，o 硕十学位论文 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼皇。i m i m ；m ；i ii m ； m l i 皇曼曼! 曼量曼蔓曼曼皇 第1 章绪论 1 i 引言 导卫板是线材生产中的重要部件，它可使轧件顺利地进入轧槽并导 出，或控制被轧件按一定方向运动。在此过程中导卫板受着严重的冲击、 磨擦、高温氧化的恶劣环境。因此，导卫板轧钢厂消耗量很大的易损件 之一。本文以导卫板的改性为主要研究内容，通过负压铸渗的方法在铸 钢表面渗出一层有一定厚度、耐磨、耐高温氧化的渗层。 1 2 导卫板综述 1 2 1 导卫板的工作环境以及性能需求 1 导卫板与热钢坯产生滑动磨擦，使表面温度迅速升高。有人曾对巾 30 0 复二重式线材轧机进口导卫板( k 13 ) 的工作温度进行测量，从导卫板 背面打孔至工作面不同深度，用电容放电法将巾0 5 m m 镍铬镍硅热电偶 焊入孔底并封死，用电位差计记录。当钢坯温度为9 5 0 10 0 0 ，轧制速 度为1 5 m s ，每根钢坯重12 0 k g ，通过导卫板时间为0 5 m i n 时，测得导 卫板工作面1m m 内最高温度达7 0 0 7 2 0 【lj ，因此要求材料具有良好的抗 氧化性能。 2 普通钢铁材料在5 7 0 以上时氧化速度明显增加，高温下形成氧化 膜又被热钢坯反复磨去，形成氧化磨损。钢坯氧化皮的剥落和破碎在导 卫板之间形成磨粒，使导卫板的磨损方式主要表现为高温下的磨粒磨损， 另外，在高温滑动摩擦下，导卫板表面有时会发生粘钢现象。导卫板材 料硬度越低，粘钢现象越严重。粘合物为铁的氧化堆积物，轻度粘钢去 除后仍可使用；重度粘钢时强行去除粘着物，将使导卫板表面局部破坏， 引起失效。所以要求导卫板的材质应具有较高的硬度。特别是要求材料 具有较高的高温硬度。 3 当钢坯通过导卫板时，导卫板工作面短时升至高温，受热膨胀，而 导卫板内部温度较低膨胀较小，这样由于膨胀程度的不同而使表面产生 压应力；而当钢坯通过后，导卫板又是在淋水冷却的条件下，工作面迅 速被激冷。这样工作表面又变成承受一定的拉应力，故导卫板在工作中 承受着交变应力的作用。如果导卫板材料韧性塑性较好，热应力则可以 被吸收。但对于高铬合金铸铁或普通白口铁，其组织是由硬的碳化物与 铸钢表面溘层摩擦性能的研究 软基体构成属于脆性材料。因此产生热裂纹也成了不可避免的事了。 导卫板与轧钢同时冷却，内外温差报大，钢坯通过后，导卫板工作面温 度迅速降低，形成周期性交变热应力，每班达2 5 0 次以上，因此要求材 料具有良好的抗疲劳能力。 4 导卫板在工作时不断受到钢坯的挤压和冲撞。要求材料具有良好的 韧性，否则将会因早期断裂而失效”j 。 122 导卫板的实效形式制作材料以及制作工艺 1 导卫板的实效形式 由导卫板的工作环境可知，导卫板的失效形式有两种形式：一是导 卫板表面粘合工件会属；二是导卫板表面被磨损出淘痕。 幽i1 导甲板的实物闰 f i g1 1p i c t u r eo f g u i d e p l a t e 导卫板的严重磨损是由于其恶劣的工况造成的。对于硬度达6 2 h r c 的激冷铸铁轧辊，当其工作温度升高至5 0 0 时表面硬度将下降到不足 原来的一半；而当温度超过7 0 0 c 时，表面的宏观硬度几乎丧失殆尽。与 此相似，导卫扳也直接与高温( 1 lo o ) 、高速( 6 m s ) 轧件滑动接触，处 于高温工作状态。在此工况下，激冷铸铁的硬度将随温度的升高而急速 下降，当下降到不能抵抗外力的破坏时，对磨件的微凸体或磨屑很容易 刺入导卫板表面，构成较大的犁削切向应力。切向应力使已丧失脆性的 激冷铸铁由表至里发生不同程度的塑性变形，之所以弧表层的显微硬度 高于表层，是因为激冷铸铁表层发生塑性变形时，塑性变形引起了位错 的增殖与运动引起亚表层的加工硬化所致 i 。 崮1 2 导卫扳磨损沟槽内部形貌 f i g i2 t h e p h o t o g r a p ho fg u i d ep l a t e i n t e r n a lw o r ns u r f a c e 从图l2 可明显看出导卫扳组织为铸态组织，上面突出的是碳化物， 基体应为奥氏体。碳化物呈网状或条状分布于晶界周围，碳化物粗大， 分布不均匀。从中也可看到晶体内有裂纹。裂纹沿晶界扩展。圈为导卫 板磨损表面形貌，可以看到在导卫板磨损沟槽内又有许多犁沟，这与磨 粒磨损中的图12a 、b 、c 有些相似，氧化皮上的裂纹非常明显，并且 裂纹已延伸到附近会属组织。出图12 c 、d 导卫板表面组织产生的裂纹 来看，导卫板的抗冲击性不强，有热疲劳现象发生。产生原因是：钢坯 间断进入轧槽，每次进入时都有一次对导卫板的高速撞击；并且钢坯再 轧制时产生波动也撞击着导卫板；导卫板的激冷激热使热疲劳现象发生。 由图1 2c 、d 可知导卫板为沿晶断裂，并且再试验没有侵蚀之前用显微 镜观察到试样里有许多杂质，这极大的影响了导卫板的寿命，由此可知 导卫板的质量与导卫扳的冶炼有关系。姚三九川的研究表明，合理的冶 炼以及变质处理能提高钢的机械性能。 2 导卫板的制作材料制作工艺 目前普遍使用的导卫板多采用普通铸铁铸钢或高铬镍合金整体铸造。 普通扶铸铁硬度很低，价格低廉且易成形加工，但抗磨性差。白口铸铁 具有一定的硬度，但韧性差( a k 图2 1 n i - c r 合金相图 f i g 2 1 t h eg r a p ho f n i - c ra l l o y 在c r 含量为6 2 0 时能与镍形成n i c r 固溶体，提高镍的热强性、 抗氧化性和耐腐蚀性。 硼如图2 2 所示 1 2 硕十学位论文 皇曼皇皇i l l = m ：i i。= i l i i 皇曼曼曼鼍曼曼! ! 曼曼曼量 15 0 0 14 0 d 13 t 爱o o - 11 0 0 ，。1 0 0 0 9 0 0 o3 5s n i 8 ( ) l o 图2 2 n i - b 合金相图 f i g 2 2t h eg r a p ho f n i - ba l l o y 硼能大幅度的降低镍的熔点，因而提高镍基合金的润湿性，改善其 流动性，但随着硼含量的提高会增加母材的熔蚀性，硼在镍中溶解度极 小，不会与镍形成固溶体，熔化时会扩散至晶界，使晶界强化，脱离镍 基合金后，还能使镍基合金重熔温度提高。但硼含量较高会在结合中形 成脆性较高的硼化物。 硅如图2 3 所示 l t a 0 1 3 0 0 鬯l z d d 卜 l l o o l o d o 口o o o57 5l ol 移 n i s i ( 1 ) 图2 3 n i s i 合金相图 f i g 2 3t h eg r a p ho f n i s ia l l o y 硅能降低镍的熔点，当硅含量在2 5 时，对镍基合金的高温强度影 响不大，硅含量在3 5 范围内镍基合金的浸润性最好，因此一般镍基合 1 3 铸钢表而渗层摩擦性能的研究 金的硅含量都控制在5 以下。 镍中加入适量的铬、硼、硅等其他元素组成合金，具有温度在1 10 0 左右的液相状态，硬度在h r c 25 6 5 之间调节，并具有耐磨，耐蚀和抗 氧化的性能。 具体的在本课题的研究过程中采用的镍基合金粉末的成分见表2 2 表2 1z g 4 5 化学成分( ) t a b t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fn i s u b s t r a t ep o w e r ( w t ) 元素含量 c s i c r f e n i 0 6 o 8 4 o 5 0 16 18 5 其余 单一镍基渗层对提高材料的表面的性能是有限的，为了进一步的提 高材料的表面的性能，可采有n i w c 、n i z r 0 2 n i a 1 2 0 3 复合粉术做为 铸渗剂进行铸钢表面复合材料的研究。本硕士论文采用增强陶瓷颗粒为 北京矿冶研究院生产的氧化钇稳定晶形氧化锆。 2 2 实验部分 2 2 1 试样的制备 1 、造型与浇冒口的设计 铸渗工艺和一般铸件的铸造工艺相似，考虑到铸渗的特点，在实验 中采用了水玻璃造型，为便于涂料涂覆、烘干和排气，采用多箱造型。 浇口位置开在涂料层附近且避免直接受钢液冲刷，这样既可防止金属液 在浇注时直接冲刷涂层又可避免流程远而使温度降低。为了加强涂料部 位铸型的出气，以免出现气孔呛火等缺陷，造型时在铸型的上、下箱都 扎通气孔，在涂料层的上方设置冒口，利于排气补缩。由于在实验中浇 注的件为中小件，我们采用了底注式，其原因是考虑铸钢的特点是熔点 高、流动性差、收缩大、易氧化等特点，要求浇注系统尽量的简单，截 面大使充型快而且平稳，使铸件顺序凝固。 1 4 硕十学位论文 皇曼曼! 鼍曼曼曼曼曼量曼皇曼曼曼曼量曼曼：。 - - - - m mu m m 孽鼍曼鼍曼鼍曼量曼曼皇皇曼曼皇量曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼舅曼舅 2 、敷涂与烘干工艺 根据涂层位置的体积大小估算出所需要渗剂的量，然后推算各个成 分的使用量，用天平准确称量配成渗剂，加入适量的粘接剂( n j b ) 调成 糊状涂覆与试块所需改性面对应的型腔位置。涂覆时需注意粘接剂的量 不能过多，过多易在浇注时产生气孔等缺陷，也不能过少，太少渗剂与 砂型的粘接不牢在浇铸时易被高温金属液冲刷而得不到渗层。涂覆前， 在涂刷涂层的部位涂覆快干耐火涂料，( 本论文采用的是酒精锆英粉) ， 以防止浇注后渗层严重粘砂，干燥后再涂覆铸渗剂材料，尽量使涂层平 稳、厚度均匀，涂层不能太厚，太厚时渗剂材料不能完全被基体金属液 浸透和熔化，造成熔合不良甚至出现气孔夹杂等缺陷，涂层的厚度亦不 能太薄，太薄浇铸时涂层熔化并被基体液稀释，虽能获得较厚的渗层但 是渗层改善材料表面的性能并不是太佳，本实验涂刷涂层的厚度为 0 5 3 5 m m 。涂刷完毕以后，将有涂层的铸型放在箱式炉中加热到2 0 0 保温2 h 后随炉冷却，烘烤的目的是除去涂层中是水分和挥发性气体减少 浇铸时住深层中产生大量的气孔，烘烤还有一个目的是使粘接剂固化增 加涂层的强度，在浇注时使涂层更耐高温金属液的冲刷。 3 、母材的熔炼与浇注 浇铸用的高温钢水是在150 k g 的中频感应炉中熔炼，钢水的出炉温度 一般选择在液相线5 0 10 0 ，温度过低会产生铸渗剂熔化不良，造成铸 渗浅或者不能形成渗层，浇铸温度过高，使铸渗剂熔化并过分扩散，得 到的表面渗层性能达不到要求。本实验选用的浇铸温度为16 5 0 ，为了 保证测量温度的准确性，在出炉以及浇铸时各用红外测温仪测温一次。 浇铸前需对铸型和涂覆层预热，进行预热可使得基体金属液在铸型中的 液态停留时间延长，降低涂覆层对金属液的激冷作用，有利于液态金属 的渗透，但是预热的温度也不能太高，太高将会发生溶剂的溃散和氧化， 我们在实验中所采用的预热温度为2 0 0 ，出炉后的高温液态金属加铝脱 氧。浇铸后试样在沙箱中自然冷却，然后取出型砂，清理试样上的粘砂， 编号，用数码照片拍下原始铸渗层的照片，为进一步分析保留数据。 整个浇铸过程可用下图表示。 1 5 耋璧耋雪鲨罟：誉箸鐾馨翟耋 闰2 4 铸渗。 艺流程幽 f i g24 t h e f l o w d i a g r a mo f t h ec a s t i n g i n f i l t r a t i o n m o c 髑s 将预制好的砂型预热到一定游度同时熔炼其基体金属液在负压 条件下进行浇注，渗层形成过程示意圈 2 22 性能的检测 图圆圈口 砂型颈涂层金属涟负压昔 堑| 2 5 渗层形成示意嘲 f i g25 t h es k e t c ho f f o r m i n g i n f l l 口a t e d l a y e r 本实验是以导卫板为研究背景，基于工况的条件，主要考察渗层的 形貌，渗层的硬度以及渗层对基体的保护情况( 主要考察高温条件下渗 层的摩擦性能) 2 221 显微组织分析与硬度分析 1 、微观分析 将铸态试样用线切割切成10 r a m 1 0 r a m x3 0 r a m 的试样，将观察金相 的面在砂轮机上打磨平整、倒角、选择横断面用砂纸打磨后抛光，以4 硝酸酒精作为腐蚀剂，对试样进行腐蚀，为微观组织分析做好准备。 将制备好的金相试样采用m e f 一3 型光学显礅镜观察金相组织，用 j s m 一6 7 0 0 f 型扫面电镜观察渗层组织形貌，并用e p m a 一1 6 0 0 电子探针分 析渗层元素的分布变化，用d m a x 2 4 0 0 型x 射线衍射仪分析渗层的相组 成。 2 、硬度测试 将观察过金相的试样在h x 1 0 0 0 t m 显微硬度计上测显微硬度，从涪 层到基体每隔一定距离测仪硬度值，测一条硬度曲线分析从渗层到基 体的硬度变化，具体实验条件为：实验力为10 0 0 9 f , 保压2 0 s ：用h r s 一15 0 型洛氏硬度计测试渗层的老观硬度。 2 22 2 摩擦实验 l 、常温摩擦实验 常温摩擦实验是在m m 一2 0 0 环块式摩擦试验机上进行的，将溶层厚 度为3 r a m 的铸件加工成6 r a m 7 r a m 3 0 r a m 的标准试样块。其示意图如 下图所示 幽2 6 洛层和对偶示意幽 f i 9 2 6 t h es h mo f s a m p e l e sa n dc k r b “ 试验前所有试块的涂层面都用金相砂纸打磨并用丙酮清洗。对磨材 料为o c r l 5 ，尺寸为中4 0 r a m x l o r a m 。摩擦行程4 5 2 3 m ；整个实验是在室 温、干摩擦、以线接触的方式进行。块试样和环试样工作参数设定为： 铸钢表面渗层摩擦件能的研究 载荷5 0 n 、10 0 n 、l5 0 n 、2 0 0 n 、2 5 0 n 、3 0 0 n ；滑动速度取0 8 4 8 m s ：为 使摩擦面接触良好，试样先预磨l0 m i n ，摩擦前用酒精将试样清洗干净。 通过测定磨痕宽度，计算出磨损率。摩擦系数由计算机采集。 磨损率计算公式： s 兰2 7 b h 3 拈尺一取肛奴 l = v t 形：s , ，l 式中b 为磨痕宽度( m m )r 为对偶环半径l 为滑行线距离v 为 滑动线速度t 滑行时间w 磨损率s 总磨损体积 2 、高温摩擦实验 摩擦实验在瑞士产t h t 2 0 0 0 摩擦试验机上进行，将渗层厚度为1 5 m m 的试样加工成c2 5 8 m m 的标准块，摩擦表面经过磨床的打磨( 平面磨) 然后用金相砂纸精磨，打磨后的试样用丙酮在超声波下清洗；对磨材料 采用氮化硅陶瓷球其直径为谚3 m m 。实验条件为摩擦距离l5 0 0 m ，速度 为0 3 m s ，载荷为5 n ，温度分别取室温、l5 0 、30 0 、4 5 0 ；为使 实验误差减少到最小，实验前必须对摩擦试验机预热30 m i n ，在开始记录 摩擦系数前试样需预磨l0 m i n 。摩擦后用轮廓仪测量磨痕的宽度，根据磨 痕宽度计算渗层的磨损体积；并计算氮化硅球的磨损体积以考察整个摩 擦系统的磨损情况。 3 、磨损机理的研究 摩擦实验完毕后，用酒精冲洗，再用超声波冲洗，然后用扫描电镜 对不同成分渗层的表面的磨损形貌进行观察，并对摩擦后表面的元素进 行分析，根据磨损形貌以及摩擦后表面的元素分布情况进一步分析磨损 机理。 1 8 硕十学何论文 第3 章铸钢表面镍基渗层摩擦性能的研究 3 i 引言 镍基合金具有优良的综合性能耐腐蚀、抗氧化性、耐热、耐低应力 磨粒磨损及良好的冲击韧性。可广泛应用于高温、耐蚀、磨损、抗氧化 等工况条件。如抽油泵柱塞、轴套、拉丝轮、导卫板、高炉风口等部件 的修复与保护，因而本研究中采用镍基合金粉末作为渗剂来制备表面合 金渗层。 本研究选用镍基合金作为铸渗剂，在铸钢表面制备出了渗层，考察 渗层的相组成、宏观硬度、渗层到基体的显微硬度变化以及在不同温度 下的摩擦磨损性能。 3 2 实验过程 3 2 1 试样的制备 采用材料为：渗剂采用的是镍基自熔性合金粉末，具体成分如第二 章所述，其平均粒度为15 0 + 30 0 目；粘接剂采用自制粘接剂n j b ；基体 材料采用的是z g 4 5 。 3 2 2 性能检测 性能测试试样的尺寸，测试设备以及测试方法如第二章所述 1 9 篁窒耋雪鎏量：耋譬譬墼! 耋 3 3 结果与讨论 3 3 1 镍基渗层组织以及相结构分析 闰3 i 渗层的组织 f i g3i t b es 叽c m mo f t h e n i b a s e d l a y e r 图31 为镍基渗层的组织形貌，由图( a ) 可看出渗层到基体可明显分 为三个区域，a 为渗层( c ) 为a 区域的放犬c 为基体( d ) 为c 区域的 放大，b 为扩散熔合区其组织不同于a 、c ，分析原因：铸渗过程是个传热 传质同时进行的过程，当高温韵金属液浇入型腔时，高温的钢液使涂覆 的镍基预制层熔化在这个过程中发牛了颓制层中的元豢向基体扩散，浇 铸结束，随着铸件的温度降低，渗层中元素扩散的动力也将不足，囡此 出现了元素互扩散的区域b 。( b ) 为渗层与基体的结合处，由图可知，渗 层和基体的结合处并不是根明显，说明渗层和基体的结合是良好的，井 山( a ) 图得知渗层和基体之间有个扩散熔合区，更进一步说明渗层和 基体的结合是趣好的。 硕十学位论文 图3 2 渗层的x p d 3 图谱 f i g 3 2x r do f i n f i l t r a t e dl a y e r 图3 2 是n i c r b s i 渗层的x r d 衍射图谱，可以看出，渗层主要是 由n i c r f e 、f e n i 基体相和f e b 、n i b 硬质相组成。硬质相f e b 、n i b 分 布在塑性很好的n i c r f e 、f e n i 相基体中，对渗层有很好的弥散强化作 用，故能很大程度的提高渗层的硬度和耐磨性。 3 3 2 硬度 铸钢基体的宏观硬度是h r cl6 6 3 ，镍基渗层的宏观硬度是h r c5 3 ， 较至基体的硬度有了很大的提高，其原因是渗层中含有大量的f e b 、n i b 等硬质相，对渗层起到弥散强化的作用。故渗层硬度高于基体的硬度。 合金元素的分布以及状态，以及增强相的分布和状态决定了硬度的分布 状态【71 。渗层到基体的显微硬度的变化如图3 3 ，从图中可以看到，显微 硬度是呈现梯度变化的，最高出现渗层的亚表层处值为h v 5 4 8 ，然后由 渗层到基体递减，这是因为，渗层表层是铸型激冷造成的凝固不致密区， 硬度相对较低；铸渗时含c r 、n i 的硬度较高的碳化物，硼化物硅化物析 出并上浮，导致了渗层的硬质相分布不均匀，大部分偏聚在次表层 7 2 】故 硬度最高；内层由于基体元素对渗剂元素的稀释，其硬度也就变低了。 2 1 铸钢表而渗层摩擦性能的研究 图3 3 渗层的显微便度分布 f i g 3 3 d i s t r i b u t i o no f m i c r o - h a r d n e s si nl a y e r 3 3 3 镍基渗层的常温摩擦性能 1 、磨损体积 在载荷为10 0 n 、2 5 0 n ，线速度为0 8 4 8 m s 的条件下，基体的体积磨 损率分别是2 9 2 10 - 4 m m 3 m 和4 9 9 l0 - 4 m m 3 m ，不同载荷下渗层的体 积磨损率变化如图3 4 。对比在相同载荷下渗层和基体的磨损率可知，在 l0 0 n 载荷下，基体的磨损率是渗层磨损率的9 倍而在载荷为2 5 0 n 时基 体的磨损率为渗层磨损率的5 19 倍。渗层的存在，很大程度的提高了材 料的耐磨性。 图3 4 磨损率随载荷变化图 f i g 3 4 t h ew e a rr a t e 弱af u n c t i o no fl o a d s 2 、磨损表面形貌与磨损机制分析 铸钢基体表面硬度较低，与摩擦副进行摩擦时，摩擦系统产生大量 的热，使表面平均温度升高，次表面的强度降低，在摩擦力的作用下， 金属摩擦面的塑性流动性加剧，基体的接触面发生严重的塑性变形和粘 坝l 忙论立 着，同时由于接触应力的重复作用，在表层下产生平行于摩擦表面的裂 纹，当这些裂纹扩展到表面对与垂直于表面的裂纹相交，导致片状的磨 屑从表面剥离，图35 ( a ) 摩檫形貌即显示粗糙的撕裂表面和塑性变形 以及块状的金属磨屑( a 为撕裂层以及剥落层、b 为金属屑) 。在金属磨 屑b 后可见瓣屑划过的磨痕，由此可推断基体材料的磨损机制主要为粘 着磨损、疲劳磨损和磨粒磨损。渗层中由于存在f e b 、n i b 等硬质相，其 弥散分布强化了n i cr - f e 相基体，因此渗层的耐磨性能有了很大的提高， 并且弥敝分布的强化相还能起到耐磨骨架的作用，在磨损过程中较低硬 度的基体相首先被磨掉而露出了硬质相，面裸露的与基体相结合良好的 硬质相可抵御很大的摩擦力而很大程度的提高渗层的酎磨性；同时，摩 擦试验是在大气环境下进行，由于渗层的耐热性能要远高r 基体，系统 的摩擦热不至于很快使其软化发生塑变，而是促进了摩擦面氧化膜的生 成和使磨损表面发生转移，如图35 ( b ) 显示渗层磨损表面几乎没有划 痕，大部分区域存在疏松的氧化层( c 为豌松的氧化层) 。图36 为渗层 磨损表面的线扫，出此可知对偶环中的c r 、f e 己转移到磨损表面。氧化 膜的存在能减弱渗层与对偶的粘着，对会属的磨损町起到保护作用。结 合用34 渗层的磨损率在低载下变化比较平缓而随载荷的增加其磨损率 的变化速度也增加这说明，在较低的载荷下，生成的氧化膜能基本覆 盖渗层，减轻对偶对渗层的直接磨损；载荷增加，氧化膜的生成速度远 远跟不上其去除速度而使暴露与对偶直接摩擦的渗层增多，所以其磨损 的速度也将加快。 幽3 5 渗层和基体在2 5 0 n 载荷摩擦的朦擦表面 f i g35s e m p h o t o g r a p ho f t h e w o i t ls u f f a c e ( a ) t i c w o ms u r f a c e o f t h e z g 4 5a t t h e l o a d o f 2 5 0 n f b ) t ie w o ms u r f a c e o f t i l e n ib a s e d l a y e ra t t h e l o a do f 2 5 0 n 至翟耋皇誊兰誊篓兰鐾2 ：圣 幽3 6 载荷2 5 0 n 条忭f 渗层摩擦表面的e p m a 元素分布 f i g36s e m p h o t o g r a p ha n d e p m a e l e m e n t d i s t r i b u t i o no f l h e w o r ns u f f a c e ( a ) t h e w o l f fs u r f a c e o f t h e n i b a s e d l a y e ra t t h e l o a do f 2 5 0 n ( b ) e p m ad i s t r i b u t i o n o f e l e m e n t i n t h e s u r f a c e o f t h e n ib a s e d l a y e r a t t h e l o a d2 5 0 n 3 、摩擦系数 硕十学伶论文 皇一- 一一一 i_i i i i 舅鼍曼曼蔓曼皇皇皇曼曼舅曼置皇曼量 图3 7 不同载荷。f 的摩擦系数图 f i g 3 7 t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h en ib a s e dl a y e ra tt h ed i f f e r e n tl o a d ( a ) 1 1 1 ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h e n ib a s e dl a y e ra tt h el o a do f 5 0 n ( b ) t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h en ib a s e dl a y e ra tt h el o a do f1 0 0 n ( c ) t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h en ib a s