王興富,李永剛*,,3,李學楠,師佑杰

(1. 太原理工大學 機械與運載工程學院,太原 030024;2. 精密加工山西重點實驗室,太原 030024;3. 山西省金屬材料腐蝕與防護工程技術研究中心,太原 030024)

鈷基合金具有優(yōu)良的高溫性能、耐蝕性能、抗氧化性能以及耐疲勞性能而被廣泛應用于車輛、火車、船舶、飛機的發(fā)動機等零部件[1-3]。然而,隨著工業(yè)科技水平的快速發(fā)展,對鈷基合金零部件提出了更高的要求,普通鈷基合金材料在產(chǎn)品質(zhì)量和性能上已不能滿足特種工況下的使用要求。因此,對高性能的鈷基合金零件的需求日益增長。在以往的研究中,主要通過改變鈷基合金的化學成分來提高鈷基合金的性能,比如添加碲元素能夠細化晶粒,優(yōu)化合金組織結(jié)構(gòu),從而提高其綜合性能[4],適量的Mo、Ni、W、Ti、Hf等元素可改變鈷基合金的耐磨性能[5-6]。但這些過程產(chǎn)生的化學物質(zhì)會嚴重影響環(huán)境質(zhì)量、產(chǎn)生極大的能源消耗和健康問題,近年來,深冷處理已被公認為是一種提高金屬材料的硬度、疲勞性能、韌性和耐磨性的有效方法[7-10],它具有低成本,低能耗,無污染的優(yōu)點,日益引起了世界范圍內(nèi)研究者的關注。盡管許多文獻報道深冷處理可以顯著提高金屬材料的性能,但主要針對高速鋼和工具鋼,而很少關注深冷處理對鈷基合金摩擦磨損性能的影響。

滾磨光整加工是一種低速[11]、小載荷[12]的加工工藝,這種工藝通過改善零件表面質(zhì)量進而提高其性能和壽命,但加工過程中會受到多個磨塊的共同作用,對于實際加工過程中單個磨塊對鈷基合金樣品的磨損情況難以分析,為探究滾磨光整加工過程中單個磨塊對深冷處理后的鈷基合金材料的磨損效果,本文通過對鈷基合金進行不同時間的深冷處理,并進行單顆粒往復直線式摩擦磨損試驗研究,分析摩擦系數(shù)和磨損率的變化情況。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及處理

試驗材料為是航材院于2006年為滿足發(fā)動機的需要而研制的K6509鈷基合金,其化學成分(表1)和試驗過程(表2)如下所示,顯微組織主要由γ-Co基體和碳化物組成,其中碳化物主要為富含Ta、Ti和Zr的MC碳化物,富含Cr和Co的M7C3碳化物和富含Cr的M23C6碳化物和基體形成的層狀共晶,其顯微組織如圖1所示。將K6509鈷基合金工件切成尺寸為10 mm×10 mm×4 mm的樣品,以便進行干式滑動磨損測試。深冷處理在在-196 ℃液氮中進行,分別深冷4 h、12 h、20 h、28 h、36 h、44 h。

表1 K6509鈷基合金化學組成 %

表2 鈷基合金深冷處理過程

圖1 DCT0顯微組織

1.2 試驗方法

微觀組織分析:依次采用150#、360#、500#、600#、1000#、1500#的砂紙對樣品表面進行打磨后使表面無劃痕,在金相拋光機上完成最終拋光,間歇性的加入0.5 μm氧化鉻拋光粉,以獲得更高的光潔度。用無水乙醇對表面進行清洗后,用濃鹽酸進行腐蝕10 min后,將表面用無水乙醇清洗干凈后用電吹風吹干,最后在奧林巴斯BX43光學顯微鏡下觀察其微觀組織。

硬度測試:試驗采用HM113型維氏顯微硬度計在0.2 kgf的載荷下進行10 s來進行的進行硬度測試,對試樣取不同的位置將其表面硬度測試5次,取出最大值和最小值,并將剩余數(shù)的平均值最為最終硬度值。

磨損測試:在干式滑動條件下,通過在微型計算機控制的磨損測試儀(RLT-2M型)在低速0.15 m/s、小載荷(3 N,4 N,5 N)工況下研究不同深冷時間對鈷基合金摩擦性能的影響。為避免粗糙度對磨損性能影響,依次用150#、360#、600#砂紙對試樣表面進行打磨,對表面粗糙度進行測量3次,使得其表面粗糙度Ra<0.2 μm[13]。

1.3 磨損體積計算模型

磨損示意圖如圖2所示,由于實際磨損過程中,單顆磨球的工作半徑要大于實際半徑,摩擦磨損儀實際測得的是磨損深度H和磨損寬度D,根據(jù)測得的H和D對磨損體積進行估算,具體計算過程如下:

圖2 磨損示意圖

設磨球工作半徑為R,磨損長度為S,磨損體積為V,則由磨損示意圖可知

(1)

可得:

(2)

(3)

由此可以推出磨損體積的表達式為

(4)

從而得到磨損體積V與磨損深度H和磨損寬度D的一般公式為

(5)

摩擦磨損儀根據(jù)試驗測得的磨痕寬度和磨痕深度得出磨損體積。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖3顯示了經(jīng)過不同時間深冷處理后鈷基合金表面碳化物密度的變化情況。如圖3所示,與圖1進行對比可以看出,經(jīng)深冷處理后微觀組織更為均勻,深冷4h時,碳化物析出,隨著深冷時間的延長,碳化物數(shù)量逐漸減少,而在深冷處理36 h時,出現(xiàn)碳化物二次析出現(xiàn)象。

圖3 不同深冷時間下的微觀組織

2.2 硬度分析

圖4表示鈷基合金硬度隨深冷時間的變化情況,未深冷鈷基合金樣品硬度為433.8HV0.2,在深冷0～44 h過程中,硬度逐漸增加,深冷44 h后硬度達到最高,硬度值達到536.2HV0.2,與DCT0鈷基合金樣品相比較而言,DCT44鈷基合金樣品硬度提高了23.6%,但值得注意的是,在深冷4 h和深冷36 h硬度降低,結(jié)合圖2微觀組織可以看出,這與碳化物的分布有關[14]。

圖4 不同深冷時間下的硬度變化

2.3 摩擦磨損分析

2.3.1 摩擦因數(shù)變化情況

圖5顯示了鈷基合金經(jīng)過不同深冷時間處理后的摩擦因數(shù)演變情況。從圖5a)中可以看出,經(jīng)深冷處理后,摩擦因數(shù)普遍降低,摩擦因數(shù)曲線更快變得平緩;從圖5b)中可以看出,經(jīng)深冷處理后,平均摩擦因數(shù)降低,DCT0鈷基合金樣品平均摩擦因數(shù)為0.85,經(jīng)深冷處理后,平均摩擦因數(shù)均降為0.6左右,其中DCT36鈷基合金樣品平均摩擦因數(shù)為0.56,降低了約為34.12%,從而可以說明,深冷處理可以明顯降低鈷基合金的平均摩擦因數(shù)[15],并且使得摩擦因數(shù)曲線更快變得平緩。

圖5 摩擦因數(shù)演變圖

2.3.2 磨損率變化情況

磨損率作為評價磨損行為最主要的指標之一,研究鈷基合金在不同的工況下的磨損率顯得尤為重要,本次試驗將單位長度的磨損體積作為磨損率,其計算公式如式[16](1),從圖6中可以看出,隨著載荷的增加,磨損率顯著增加,磨損率與載荷呈正相關關系,深冷處理0～44 h過程中,磨損率先升高后降低,深冷處理28 h達到最高的磨損率,在載荷為3 N、4 N、5 N的工況下磨損率分別提高了57.91%、44.29%、27%,這對于滾磨光整加工而言,可以顯著提高光整加工效率。

圖6 不同載荷下的磨損率圖

從圖6中可以看出,深冷處理能夠使碳化物數(shù)量減少,碳化物數(shù)量減少使得基體產(chǎn)生界面減少[17],這些提供障礙的界面的減少使得異物顆粒更容易滲透,更易形成位錯運動,從而導致磨損率的提高[18],而由于硬度顯著提高的DCT44鈷基合金樣品比DCT28鈷基合金樣品的磨損率更低，磨損率Wr為

Wr=V/L

(6)

式中:V為磨損體積,mm3;L為滑動距離,m。

3 結(jié)論

1) 鈷基合金經(jīng)不同深冷時間,顯微組織變得均勻,碳化物密度逐漸減小,但深冷處理36h時碳化物出現(xiàn)二次析出。

2) 鈷基合金在深冷4～44 h的過程中,鈷基合金樣品硬度逐漸升高,其中在深冷44 h時硬度達到最大,相比未深冷硬度提高了23.6%,但在深冷4 h和36 h硬度降低,這與碳化物的分布有關。

3) 經(jīng)深冷處理后,摩擦因數(shù)曲線變得較為平穩(wěn),平均摩擦因數(shù)普遍降低,DCT36鈷基合金樣品摩擦因數(shù)曲線最為平穩(wěn),同時平均摩擦因數(shù)達到最低,相比未深冷降低了34.12%。

4) 磨損率與載荷呈正相關關系,在不同載荷工況下,隨著深冷時間的延長,磨損率先升高后降低,深冷28 h后磨損率達到最高,相比較未深冷處理分別提高了57.91%、44.29%、27%。