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不同表面強(qiáng)化處理對(duì)9310鋼防護(hù)性能的影響*

2019-02-27 08:06:56蘇威銘張吉阜肖根升
材料研究與應(yīng)用 2019年4期
關(guān)鍵詞:磨痕鍍鉻滲碳

蘇 騏,蘇威銘,張吉阜,江 平,肖根升

1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所,湖南 株洲 412002;2.廣東省新材料研究所,廣東 廣州 510650

航空9310鋼是一種低成本、高性能的滲碳齒輪鋼,其生產(chǎn)與使用非常成熟,已是我國(guó)直升機(jī)減速器、中小型航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)部件用的最廣的齒輪材料之一.用9310鋼制成的齒輪與齒輪軸,在大量的試驗(yàn)與正式飛行中均表現(xiàn)良好,但在工況惡劣的環(huán)境中零件的少數(shù)部位仍出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損與腐蝕的情況,所以對(duì)航空9310鋼表面進(jìn)行耐磨與耐蝕研究,是必要且有價(jià)值的.

超音速火焰噴涂的碳化鎢具有優(yōu)秀的硬度與耐磨、耐蝕特性,已在直升機(jī)旋翼軸軸頸、導(dǎo)筒外圓、行星架、發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)磁性密封圈等部位得到了廣泛的應(yīng)用[1-2].滲碳是航空滲碳齒輪鋼強(qiáng)化最為常用的一種方式,多見于齒面、花鍵、軸頸等[3].鍍鉻是一種傳統(tǒng)的表面防護(hù)與修復(fù)技術(shù),常見于密封跑道等部位[4].目前國(guó)內(nèi)針對(duì)9310鋼噴涂碳化鎢的研究報(bào)道還較少,本文對(duì)9310鋼以及分別經(jīng)滲碳、鍍鉻、噴涂WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層的9310鋼的摩擦磨損與防腐性能進(jìn)行了對(duì)比研究,讓航空傳動(dòng)設(shè)計(jì)人員對(duì)幾種強(qiáng)化方式有一個(gè)更理性的認(rèn)識(shí),為超音速火焰噴涂碳化鎢在9310鋼上的應(yīng)用提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)方法

1.1 原料及處理方法

基體材料為雙真空熔煉的9310鋼.將9310鋼切割成130 mm110 mm6 mm薄板,打磨光滑,用于噴涂制備WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層.采用兩種噴涂粉末分別是FUJIMI公司生產(chǎn)的WC-14Co粉末和H.C.Stark公司生產(chǎn)的WC-10Co4Cr粉末,兩種粉末均為團(tuán)聚粉,粉末呈多孔球形,粉末粒徑在5~30 μm范圍內(nèi).

采用GTV公司的K2超音速火焰噴涂設(shè)備制備涂層,噴涂參數(shù)如表1所示.噴涂前用白剛玉沙對(duì)噴涂面噴砂粗化,后用壓縮空氣清理,以提高涂層的結(jié)合能力.兩種碳化鎢涂層磨削后厚度均控制在150 μm.滲碳試樣有效滲層深度控制在700~900 μm,鍍鉻試樣鍍層厚度控制在25~50 μm,參數(shù)參考某航空齒輪軸的兩個(gè)外圓部位的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)選?。?/p>

表1 超音速火焰噴涂的工藝參數(shù)

1.2 測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)

采用日本SmartLab 9 kw X射線衍射儀(XRD)對(duì)涂層的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.試樣形貌及成分通過搭載有能譜分析儀(EDS)的Nova-Nono 430掃描電鏡(SEM)進(jìn)行分析.

運(yùn)用MH-5D顯微硬度計(jì)對(duì)材料的截面顯微硬度進(jìn)行測(cè)量,載荷300 g,保壓時(shí)間15 s,每種材料取10個(gè)點(diǎn),計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差.

按照拉伸試驗(yàn)法(GBT 8642-2002)測(cè)試涂層與基體的結(jié)合力,每種涂層各測(cè)6組,最后結(jié)果取平均值.

往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式摩擦磨損試驗(yàn)均在室溫下完成.往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)使用NUS-ISO3磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,試樣尺寸為30 mm50 mm6 mm的小塊,對(duì)磨砂條為60號(hào)SiC,載荷30 N,試驗(yàn)前及每往復(fù)400次后用電子天平稱重,總往復(fù)次數(shù)1200次.球-盤式旋轉(zhuǎn)摩擦磨損試驗(yàn)使用MS-T3000摩擦磨損試驗(yàn)儀進(jìn)行,試樣尺寸為直徑25.4 mm6 mm,磨球?yàn)橹睆? mm的氮化硅球,磨痕半徑為7.5 mm,載荷9.8 N,轉(zhuǎn)速300 r/min,時(shí)間為1 h.旋轉(zhuǎn)摩擦磨損試驗(yàn)后,磨痕截面輪廓通過Dektak XT三維表面輪廓儀線掃描獲得,以此評(píng)判各樣品磨損量.

鹽霧腐蝕性能測(cè)試按GB/T10125-1997進(jìn)行,測(cè)試設(shè)備為MC-952C型鹽霧試驗(yàn)箱.

2 結(jié)果分析

2.1 微觀組織形貌

9310鋼分別經(jīng)過滲碳、鍍鉻、噴涂WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層的四種不同表面處理后,樣品表面的XRD圖譜如圖1所示.從圖1可見:滲碳樣品以體心立方的鐵素體衍射峰為主,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度較弱的面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體,特別的是在鐵素體最強(qiáng)峰的左邊檢測(cè)到小伴峰,表明了馬氏體的形成,這是由于碳元素的大量滲入使得樣品表層鐵素體晶體結(jié)構(gòu)畸變嚴(yán)重從而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體;鍍鉻樣品的鉻層厚度在25 μm以上,因此僅有金屬Cr的衍射峰;WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層的XRD圖譜相似,圖譜以WC衍射峰為主導(dǎo),在35 °到47 °衍射角度范圍內(nèi)出現(xiàn)饅頭峰,沒有檢測(cè)到金屬Co和Cr晶體結(jié)構(gòu)信號(hào),饅頭峰是非晶和納米晶結(jié)構(gòu)在XRD圖譜上的反映[1].這是由于在噴涂過程中,金屬Co和Cr熔點(diǎn)較WC低,熔化充分,沉積時(shí)急速冷卻,過冷度大,液態(tài)急劇凝固,形成納米晶或者保留非晶態(tài);再者Co和Cr元素含量少,因此XRD圖譜無法反映出Co和Cr金屬晶體結(jié)構(gòu)信號(hào).此外,兩種涂層中也含有少量W2C和金屬W相,這是WC脫碳的結(jié)果.粉末在焰流中飛行時(shí),氧氣可能氧化部分WC,以CO2形式帶走C元素,另外C元素溶入金屬粘結(jié)相也是WC脫碳的一種形式.

圖1 9310鋼表面經(jīng)不同表面處理后的XRD圖譜 Fig.1 XRD pattern of 9310 steel surface treated with different surface treatments

圖2為不同表面處理后的截面形貌SEM圖.對(duì)四種表面處理樣品截面SEM圖像進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn):滲碳層與基體融為一體,無法分辨界線;鉻層、WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層致密,三者孔隙率均小于1%;鉻層中存在少量微裂紋;兩種涂層與基體結(jié)合良好,無明顯孔隙或裂紋.

圖2 不同表面處理后的截面形貌(a)滲碳;(b)鍍鉻;(c)噴涂WC-14Co;(d)噴涂WC-10Co4CrFig.2 Cross-sectional morphologies after different surface treatment(a)carburizing;(b) Cr-plating;(c) as-sprayed WC-14Co;(d) as-sprayed WC-10Co4Cr

圖3為9310鋼表面熱噴涂后結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果.拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,WC-14Co與WC-10Co4Cr涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度都超過80 MPa,斷裂均發(fā)生在從拉伸膠處,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過涂層應(yīng)用要求的一般標(biāo)準(zhǔn).

圖3 9310鋼表面熱噴涂后結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.3 Bond-strength test results after thermal spraying coatings on 9310 steel surface

圖4 9310鋼經(jīng)過不同表面處理后表面顯微硬度變化Fig.4 Surface micro-hardness of 9310 steel after different surface treatment

9310鋼基材以及分別經(jīng)過滲碳、鍍鉻、噴涂WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層后樣品的表面硬度測(cè)量結(jié)果如圖4所示.從圖4可見:9310鋼基材硬度最低,僅有221 Hv,滲碳后9310鋼硬度明顯提高,達(dá)到820 Hv,這主要是因?yàn)闈B層中形成了馬氏體,碳原子固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化及時(shí)效強(qiáng)化使得馬氏體具有高強(qiáng)度、高硬度,因此馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)黾恿虽摫砻娴挠捕龋汇t層硬度與滲碳樣品相當(dāng),其硬度由金屬本身性質(zhì)所決定;WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層硬度明顯高于其他樣品,超過1100 Hv.與金屬材料不同,WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層為金屬陶瓷,以金屬Co或Cr為粘結(jié)相,WC陶瓷為增強(qiáng)相,這種組合既能發(fā)揮陶瓷硬度高的優(yōu)點(diǎn)又能解決陶瓷脆性問題,硬度高于金屬材料,且具有一定韌性和強(qiáng)度.此外,WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層良好的連續(xù)性和致密性也對(duì)其高硬度有正面影響.

2.2 耐磨性能比較

圖5為9310鋼及經(jīng)不同表面處理后試樣的磨損失重量比較.從圖5可見,試樣的失重量與往復(fù)次數(shù)基本呈正比.9310鋼基材磨損量為234.98 mg,滲碳狀態(tài)為110.62 mg,鍍鉻及噴涂WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層樣品失重量相當(dāng),分別為69.13,64.47和67.21 mg.試驗(yàn)結(jié)果表明,鉻層、WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層的抗往復(fù)摩擦磨損性能明顯優(yōu)于基材和滲碳狀態(tài)的9310鋼.

圖6為9310鋼及不同表面處理后的摩擦系數(shù)比較及磨痕截面分析.從圖6可見,樣品球-盤式摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)得9310鋼基材、滲碳、鍍鉻、WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層平均摩擦系數(shù)依次為0.43,0.75,0.61,0.45和0.47.由此可知,9310鋼基材、WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層的摩擦性能優(yōu)于滲碳、鍍鉻.圖6(a)顯示各樣品在測(cè)試過程中摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的情況,其中滲碳和鍍鉻樣品摩擦系數(shù)波動(dòng)大,而9310鋼基材、WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層樣品變化較平緩.圖6(b)通過各磨痕的輪廓來反映各樣品經(jīng)球-盤式摩擦磨損試驗(yàn)后的磨損量,其中WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層耐磨性最優(yōu),幾乎無法分辨磨坑;鍍鉻樣品磨損量最高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他四種樣品磨損量;滲碳后9310鋼耐磨性能有所提升.

圖5 9310鋼及不同表面處理后試樣的磨損失重量比較Fig.5 Comparison of grinding loss weight of 9310 steel after different surface treatments

圖6 9310鋼及不同表面處理后的摩擦系數(shù)比較及磨痕截面分析Fig.6 Comparison of friction coefficient and analysis of wear tracks section of 9310 steel and different surface treatments

使用掃描電鏡對(duì)各磨痕表面的進(jìn)行了分析,圖7為9310鋼基材及不同表面處理后試樣的磨痕形貌分析.從圖7(a)可見:滲碳樣品磨痕表面發(fā)生塑性變形,可以觀察到明顯磨屑和微型犁溝,其摩擦磨損機(jī)制以黏著磨損為主.從圖7(b)可見,鍍鉻樣品塑性變形更為嚴(yán)重,此外可以觀察到明顯的剝落坑、磨屑和犁溝,磨損機(jī)制為黏著磨損和磨粒磨損.滲碳和鍍鉻樣品的摩擦系數(shù)明顯高于其他三種樣品(圖6(a)),這可能是由黏著磨損所引起的.因?yàn)槟Σ粮敝g的接觸面微觀上必然不平整,接觸面越小,越容易發(fā)生局部冷焊,從而某種程度上阻礙對(duì)偶相對(duì)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致摩擦阻力提高,摩擦系數(shù)增加[6].從圖7(c)和與7(d)可見,WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層磨痕較淺,表面無明顯塑性變形,以犁溝形貌為主導(dǎo),表明二者以磨粒磨損為主要磨損機(jī)制.圖7(e)為9310鋼基材磨痕表面,形貌與鍍鉻磨痕表面相似,但黏著磨損較緩和.圖7(f)為鍍鉻樣品磨痕表面Cr,F(xiàn)e,Si和O元素線掃描元素含量分布圖,在磨痕最深處可以檢測(cè)到大量Fe元素,表明鉻層已被磨球磨穿.WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層硬度高,有WC陶瓷增強(qiáng),表面強(qiáng)度高,不易發(fā)生嚴(yán)重塑性變形,因此,抗磨損性能好.相比之下,鍍鉻樣品表面硬度較低,為純Cr金屬,易發(fā)生塑性變形,黏著磨損和磨粒磨損嚴(yán)重,耐磨性不佳.

2.3 腐蝕性能比較

圖8為鹽霧腐蝕144 h后試樣表面宏觀形貌.從圖8可見:鍍鉻樣品和WC-10Co4Cr涂層的耐鹽霧腐蝕性最好,WC-14Co涂層次之且表面有少量銹跡,而基體和滲碳樣品被腐蝕明顯,并且滲碳樣品更為嚴(yán)重.

在鹽霧介質(zhì)中,材料的電極電位很大程度上決定了材料的耐蝕性.在滲碳樣品中,滲碳層如果碳含量過高,則以碳化物形式析出如滲碳體,其電極電位高,與鐵素體形成微電池,滲碳體是陰極,鐵素體為陽(yáng)極,鐵素體將不斷被溶解,因此,產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕[3].鍍鉻是一種比較傳統(tǒng)的耐腐蝕工藝,金屬Cr表面鈍化能提高電極電位,形成致密、穩(wěn)定、完整的氧化膜,與基體牢固結(jié)合,阻止氧氣與鋼直接接觸,從而有效防止或減輕鋼的腐蝕.但是在144 h鹽霧腐蝕后,部分鍍鉻樣品表面卻出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象.這可能與鉻層中存在的微裂紋有關(guān)(見圖2(b)),腐蝕介質(zhì)可通過裂紋滲入而優(yōu)先腐蝕9310鋼[6].

9310鋼、WC-14Co涂層和WC-10Co4Cr涂層鹽霧腐蝕后表面微觀形貌和能譜分析如圖9所示.從圖9(a)可見,9310鋼表面疏松,F(xiàn)e和O為主要組成元素,即鐵銹成分.在濕腐蝕環(huán)境中,鐵銹次生形成,首先生成Fe2+,然后反應(yīng)生成Fe2O3,所以鐵銹疏松、多孔、無保護(hù)性.從圖9(b)可見,WC-14Co涂層表面無明顯疏松特征,但在高倍下仍能觀察到少量裂紋,未能形成致密保護(hù)層,能譜表明其表面以W,Co和O的氧化物為主.從圖9(c)可見,WC-10Co4Cr涂層表面完好,無孔隙、裂紋,這主要是涂層表面致密Cr2O3氧化膜具有保護(hù)作用.

圖9 不同試樣經(jīng)鹽霧腐蝕后表面形貌及能譜分析(a)9310鋼;(b)WC-14Co;(c)WC-10Co4CrFig.9 Surface morphology and energy spectrum analysis of different samples after salt spray corrosion(a) 9310 steel;(b) WC-14Co;(c) WC-10Co4Cr

3 結(jié) 論

超音速火焰噴涂制備的WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層致密、硬度高、結(jié)合強(qiáng)度高.由于WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層表面強(qiáng)度高,摩擦?xí)r不易塑性變形,以磨粒磨損為主,摩擦系數(shù)和磨損量小,耐磨性好.硬鉻鍍層和WC-10Co4Cr涂層耐鹽霧腐蝕性能優(yōu)異,表面完好,無明顯銹跡,這與樣品表面形成的致密保護(hù)膜有很大關(guān)系.

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