304不锈钢管表面钼合金改性层组织及耐磨性研究

发布时间：2021-07-20 08:28:56 丨 浏览次数：

提高304不锈钢管的表面耐磨性。方法采用双光等离子合金化技术在304不锈钢管表面形成钼合金层。分析渗透层的成分分布和相结构，比较母材与Mo合金改性层的硬度、磨痕形状、摩擦磨损性能。得到的Mo合金层均匀致密，厚度为9.6 m，主要由纯Mo相组成。合金元素Mo在渗透层中从基体表面到内部呈梯度分布，表面显微硬度值达到806HV0.05。在干摩擦条件下，钼合金层的比磨损率仅为304不锈钢管基的1/84，大大提高了材料的耐磨性。结论双束等离子钼合金可有效提高304不锈钢管的耐磨性。

不锈钢具有耐腐蚀、抗拉强度高、屈服点低、塑性和韧性好等特点，广泛应用于汽车零部件、医疗机械、海洋工程等行业。但也存在表面硬度低、耐磨性差等缺点，由于在摩擦过程中易与偶极粘结、转移、粘着磨损，难以进一步应用。表面处理技术是提高材料耐磨性最直接、最有效的方法。目前不锈钢表面处理技术主要有离子氮化、化学镀与熔化、离子注入、镀膜技术、激光表面熔覆技术和双辉等离子金属渗透等。其中，双汇等离子金属渗透技术是近年来发展起来的一种表面合金化技术，具有合金元素选择多样、工艺简单可控、渗透速度快、节能环保等特点。它催生了学术界和工业界。 Mo元素具有熔点高、杨氏模量高的优点，常作为合金元素用于提高钢的延展性、韧性和耐磨性。为了提高304不锈钢管的表面硬度和耐磨性，本文对等离子Mo合金304不锈钢管采用双束等离子金属浸渗技术，分析了表面Mo合金改性层的成分和结构组成，Mo合金层的摩擦磨损重点特性。

1 等离子穿透钼

所用304不锈钢管的化学成分见表1。样品尺寸为20mm5mm，去离子水清洗，水砂纸（360#~1500#）抛光，抛光，丙酮清洗，热风干燥，然后双光等离子Mo渗透。源是一个99.95% 的纯钼靶，尺寸为80mm x 5mm。

Mo离子渗透采用自制LS-450双辉等离子体渗透炉，WDL-31光电测温仪测温。首先将金属渗透炉抽真空至8Pa以下，注入氩气，开启阴极电源，对样品进行预溅射。样品的表面。当样品温度上升到400 yi时，开启源电压，当源开始放电时，在源（钼靶）和阴极（304样品）之间形成空心阴极效应。加速。当样品加热到1000yi时，通过调节阴极电压和电源电压，温度稳定在1000yi使Mo渗透。保温1小时后，关掉阴极，通电，将样品放入炉内冷却。具体工艺参数为：金属渗透温度1000优势，保温时间1h，工作压力35Pa，阴极源距离15mm，源电压650~900V，阴极电压300~600V。

2 结果的表征和分析

2.1 合金层结构性能

2.1.1 截面分析

用NanoSEM430扫描电子显微镜观察Mo合金改性层的横截面结构，如如图1所示。 304不锈钢管样品用双光等离子Mo合金化后，可以看出在表面形成了一层均匀致密、结合良好的合金改性层，厚度约为9.6m。

2.1.2 组成和相结构分析

使用SpectroGDA750辉光放电光谱成分分析仪（GDOES）分析Mo改性合金层沿层深度的成分分布，结果见如图2。在预溅射过程中，样品表面受到许多高能氩离子的轰击，在表面和亚表面层产生许多空位缺陷，降低了扩散所需的能量，进一步促进了原子扩散. Mo元素的原子半径接近于Fe元素的原子半径，Mo原子不断取代基体中的Fe原子并以固溶体形式存在。在双光等离子体钼穿透过程中，从源头溅射出的钼原子被阴极表面不断吸收，被吸附的钼原子迅速占据样品表面离子轰击产生的空位并继续扩散。内部为形成Mo元素的石英层，含量由表面向内部逐渐减少，呈梯度分布。这种梯度分布改性层与基体具有更高的结合强度。 Mo元素在基体表面的质量分数高达82%，然后逐渐减少。Fe元素在基体表面的质量分数仅为12%，但成分分布曲线为如下。与钼元素变化趋势相反Cr元素在2.5~5.0um形成集中区，因为304不锈钢管在离子合金化过程中，基体中的Cr原子继续向表面扩散，同时Mo原子继续向基体扩散，使Mo合金层越来越厚，形成的Mo合金层干扰了Cr原子向外扩散，在表面以下的特定区域形成了向外扩散的Cr原子较多的区域。的基板。

用DX-2700 X射线衍射仪分析Mo合金改性层的相结构，使用CuK靶，结果见如图3。 Mo合金层主要由Mo原子在Fe原子中的固溶体组成。

2.2 显微硬度

采用LECOM-400-H1型显微硬度计测量304不锈钢管基体和钼合金试样的表面显微硬度。试验结果表明，基体的平均显微硬度为224HV0.05，钼合金试样表面的平均显微硬度为806HV0.05，是基体的3.6倍。 Mo合金样品表面硬度的显着增加可能是由于固溶强化机制。在等离子钼合金化过程中，钼原子继续扩散到304不锈钢管基体中，取代基体内的Fe原子形成替代固溶体，使Fe晶格扭曲，使位错难以滑移。

2.3 摩擦磨损性能

摩擦磨损试验采用MFT-R4000往复式摩擦磨损试验机， 5mm GCr15球，载荷5N，频率2Hz，往复距离5mm，试验温度20%，相对湿度和相对湿度=65%。磨损测试装置如图4如图所示。实验过程中，GCr15球在垂直方向对样品施加恒压P，样品与小球（固定）作水平方向往复运动，实时监测施加在样品上的摩擦力f的：电脑。

图5为304不锈钢管基与Mo合金试样与GCr15球在干摩擦条件下磨削30m时摩擦系数与滑动行程的关系。往复磨损试验表明，304不锈钢管基体的摩擦系数为0.320.49，Mo合金试样的摩擦系数为0.450.54。 304不锈钢管基的摩擦系数在进入阶段线性增加0.35，然后在0.35上下浮动，滑动距离超过18m时逐渐上升，最后稳定在0.45左右。 Mo合金样品的摩擦系数直接上升到0.5，然后逐渐下降到0.47左右，最后随着滑动距离的增加稳定在0.5左右。

从图5可以看出，304不锈钢管基体的摩擦系数比Mo合金试样略低，但304不锈钢管的摩擦系数有较大的变化范围（0.32 0.49 ），Mo合金样品的变化较小（0.45至0.49）0.54）。主要原因是304不锈钢管座与GCr15球相对滑动时，随着磨削时间的延长，304不锈钢管座与低硬度摩擦副的接触面积增大，局部塑性变形增大。发生。因此，304不锈钢管基体与摩擦副GCr15滚珠具有很强的附着力，增加了滑动阻力。它反复发生，造成摩擦。系数曲线显示连续波动，变化较大。 Mo合金试样表面硬度高，抗粘连性提高，当提高渗透层屈服强度时，有效降低接触应变，提高耐磨性，摩擦系数曲线小。然而，在等离子体合金化过程中，离子轰击增加了合金样品的表面粗糙度，使得Mo合金样品的摩擦系数略高于304不锈钢管基体的摩擦系数。使用WIVS白光相干三维轮廓仪测量如图6所示的304不锈钢管基体和Mo合金样品的磨痕横截面轮廓。母材上磨痕的最大深度约为15.6um，而Mo合金化后表面磨痕的最大深度仅为0.95um。基体和合金样品的磨痕宽度分别为0.801 和0.156 毫米。磨痕的宽度和深度大大减少，说明合金化后的304不锈钢管的耐磨性得到提高。

根据公式计算304不锈钢管基体和Mo合金试样和GCr15球磨削30m的比磨损率。K=Vv/(PS)（K为比磨损率，Vv为磨损量，P为法向载荷，S为滑动距离）。 304不锈钢管基体和Mo合金层的比磨损率计算为27.810-5和0.3310-5 mm3/(Nm)，后者为前者的1/84。 Mo双光等离子渗透后，304不锈钢管试样的摩擦系数略有增加，但比磨损率下降近2000倍，表现出非常好的耐磨性。

使用ZeissAxiovert25CA光学显微镜观察304不锈钢管基体和Mo合金试样滑动摩擦30 m后的磨痕形貌。从如图7a可以看出，基材有宽阔的磨痕和大量明显的沟纹，翻耕和撕裂产生严重的塑性流变，导致磨损非常严重，表面为GCr15球-附着粘合剂主要磨损机制是磨粒磨损和粘附磨损。如如图7b所示，经Mo渗入处理的改性层硬度较高，样品表面因高能氩离子轰击而凹凸不平，有少量磨痕，没有明显的塑性流变和粘连迹象，表面比较平整，磨痕宽度明显变窄。它反映了精细切削磨损的性质。

3 结论

1)钼对304不锈钢管表面进行双光等离子渗渗处理后形成均匀、连续、致密、梯度分布的合金层。渗层厚度为9.6um，主要由纯Mo相组成，与基体冶金结合，显微硬度是基体的3.6倍。

2）在往复磨损试验条件下，合金层的比磨损率仅为基材的1/84，表明耐磨性非常好。渗层的高硬度和与基体的冶金结合是Mo合金试样耐磨性提高的主要原因。

3）在干摩擦条件下，304基体的磨损机制主要是粘着磨损和磨粒磨损，合金Mo层的磨损机制是细切削磨损。