電弧增材制造高錳鋼滑動磨損研究

來源： 金屬磨損與潤滑

鋼通常被用來維持結(jié)構(gòu)實體和抵抗機械變形；磨損失效是鋼構(gòu)件常見的失效方式之一。錳鋼因其優(yōu)良的耐磨性和強度，廣泛應(yīng)用于鐵路、工程機械等工業(yè)設(shè)備。高錳鋼在惡劣的使用環(huán)境中存在研究的磨損行為，影響著構(gòu)件的服役壽命。合金元素的加入通過影響二次相、晶界結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸來影響鋼的耐磨性。Cr加速了穩(wěn)態(tài)Cr碳化物（M7C3、M23C6和M3C）的形成。M7C3碳化物提高了硬度，防止了磨砂顆粒穿透基底，從而提高了摩擦學(xué)性能。金屬增材制造（金屬3D打印）是一種很有前途的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)應(yīng)用，如航空航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、能源、空間、建筑、電子、海洋和海上應(yīng)用，因為它能夠制造復(fù)雜的幾何形狀與定制的功能�；�于此，江蘇科技大學(xué)劉珍光老師團隊利用高錳鋼的加工硬化特征，采用電弧增材制造技術(shù)制備了添加和不添加Cr的高錳鋼涂層。揭示了高錳鋼涂層的微觀形態(tài)和相結(jié)構(gòu)與磨損性能之間的關(guān)聯(lián)性，了解Cr添加對微觀結(jié)構(gòu)、磨損行為的影響。相關(guān)研究成果發(fā)表在摩擦學(xué)頂刊《Wear》。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.wear.2024.205242

研究使用電弧增材制造(WAAM)在碳鋼（Q235）表面包覆了兩層涂層。根據(jù)合金元素Mn和Cr的含量，它們被稱為高錳（HiMn）涂層和高錳中鉻（HiMnMeCr）涂層。將碳鋼在300◦C下預(yù)熱30 min，以減少裂紋的發(fā)生。主要制造參數(shù)為：電流300 A、電壓30 V、涂層速度10.7 m/min、保護氣體流量（20 % CO2+80 % Ar），10 L/min。根據(jù)以往的試驗，選擇和優(yōu)化了制造參數(shù)。制備的涂層分為兩層，厚度為~4 mm。磨損試樣的尺寸為20 mm×20 mm×4 mm。每次磨損試驗的速度為50 mm/s，頻率為5 Hz，軌道長度為5 mm，磨損試驗時間為60 min。選取試驗參數(shù)來模擬導(dǎo)向滑靴的厚度損失。磨損試驗采用了三種加載力（50、100和120 N）。選擇加載力模擬了嚴重的實際情況，研究了嚴重塑性變形情況下應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變和工作硬化效應(yīng)。實驗結(jié)果表明，Cr的加入使電弧增材制造HiMn涂層的微觀結(jié)構(gòu)從雙相奧氏體+馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閱螉W氏體。Cr的加入延長了磨損過程的磨合期，由于奧氏體嚴重的塑性變形，降低了電弧增材制造 HiMnMeCr涂層的耐磨性。在50和100 N的載荷下，HiMn涂層的主要磨損機制是一種復(fù)雜的磨料和粘合劑磨損模式。然而，在120 N的載荷下，HiMnMeCr涂層的主要磨損機制是在所有測試載荷下的磨料磨損。

主要圖表

圖1. 所制備的涂料的WAAM工藝示意圖和微觀結(jié)構(gòu)特性

圖2. 使用OM、SEM和EDS制備涂層的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)：(a) HiMn（OM）、(d) HiMnMeCr（OM）、(b) HiMn（SEM）；(e) HiMnMeCr（SEM）；(c) HiMn（EDS）和(f) HiMnMeCr（EDS）

圖3. 制備好的涂層的磨損率。x軸上的數(shù)字提供了加載力的值

圖4. 制備涂層磨損軌跡的深度分布：(a) HiMn-50 N；(b) HiMn-100 N；(c) HiMn-120 N；(d) HiMnMeCr-50 N；(e) HiMnMeCr-100 N；和(f) HiMnMeCr-120 N

圖5. 制備的涂層在不同加載力下的摩擦系數(shù)：(a) HiMn涂層；(b) HiMnMeCr涂層

圖6. 制備涂層沿磨損軌道磨損表面深度方向的硬度變化：(a) HiMn涂層；(b) HiMnMeCr涂層

圖7. 制備涂層磨損軌跡下的截面金相圖：(a)HiMn-50N(b)HiMn-100N(c)HiMn-120N(d)HiMnMeCr-50N(e)HiMnMeCr-100N和(f) HiMnMeCr-120 N

圖8. 磨損軌跡掃描SEM圖像：(a) HiMn-50 N；(b) HiMn-100 N；(c) HiMn-120 N；(d) HiMnMeCr-50 N；(e) HiMnMeCr-100 N；和(f) HiMnMeCr-120 N

圖9. 磨損軌道表面的EDS。(a) HiMn-50 N；(b) HiMn-100 N；(c) HiMn-120 N；(d) HiMnMeCr-50 N；(e) HiMnMeCr-100 N；和(f) HiMnMeCr-120 N

圖10. 涂層磨損機理示意圖

結(jié)論
在這項研究中，兩種類型的高錳鋼制造使用電弧增材制造技術(shù)闡明鉻的作用添加微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和抗滑動磨損通過使用二氧化鋯作為對抗材料和腐蝕使用OM、SEM、EDS、硬度測試。新的發(fā)現(xiàn)如下：

HiMn涂層的微觀結(jié)構(gòu)由馬氏體和奧氏體組成。然而，其中一種HiMnMeCr涂層包含奧氏體。
HiMn涂層的磨損率低于HiMnMeCr涂層。在測試的持續(xù)時間內(nèi)，HiMn涂層的磨損過程包括磨合周期和準穩(wěn)態(tài)周期。然而，HiMnMeCr涂層僅包含一個磨合期。兩種制備涂層的磨損過程差異歸因于嚴重的塑性變形引起的加工硬化效應(yīng)。
HiMn涂層的主要磨損機制從磨料磨損和粘合劑磨損的復(fù)雜模式轉(zhuǎn)變?yōu)閱我徽澈蟿┠�損。HiMnMeCr涂層僅顯示出粘合劑磨損。