深冷處理對(duì)鈷基合金摩擦磨損性能的影響

王興富,李永剛*,,3,李學(xué)楠,師佑杰

(1. 太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,太原 030024;2. 精密加工山西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024;3. 山西省金屬材料腐蝕與防護(hù)工程技術(shù)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(yīng)用于車輛、火車、船舶、飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件[1-3]。然而,隨著工業(yè)科技水平的快速發(fā)展,對(duì)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(duì)高性能的鈷基合金零件的需求日益增長(zhǎng)。在以往的研究中,主要通過改變鈷基合金的化學(xué)成分來提高鈷基合金的性能,比如添加碲元素能夠細(xì)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(xué)物質(zhì)會(huì)嚴(yán)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(rèn)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(diǎn),日益引起了世界范圍內(nèi)研究者的關(guān)注。盡管許多文獻(xiàn)報(bào)道深冷處理可以顯著提高金屬材料的性能,但主要針對(duì)高速鋼和工具鋼,而很少關(guān)注深冷處理對(duì)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(jìn)而提高其性能和壽命,但加工過程中會(huì)受到多個(gè)磨塊的共同作用,對(duì)于實(shí)際加工過程中單個(gè)磨塊對(duì)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(gè)磨塊對(duì)深冷處理后的鈷基合金材料的磨損效果,本文通過對(duì)鈷基合金進(jìn)行不同時(shí)間的深冷處理,并進(jìn)行單顆粒往復(fù)直線式摩擦磨損試驗(yàn)研究,分析摩擦系數(shù)和磨損率的變化情況。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料及處理

試驗(yàn)材料為是航材院于2006年為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需要而研制的K6509鈷基合金,其化學(xué)成分(表1)和試驗(yàn)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(jìn)行干式滑動(dòng)磨損測(cè)試。深冷處理在在-196 ℃液氮中進(jìn)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(xué)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(yàn)方法

微觀組織分析:依次采用150#、360#、500#、600#、1000#、1500#的砂紙對(duì)樣品表面進(jìn)行打磨后使表面無劃痕,在金相拋光機(jī)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(duì)表面進(jìn)行清洗后,用濃鹽酸進(jìn)行腐蝕10 min后,將表面用無水乙醇清洗干凈后用電吹風(fēng)吹干,最后在奧林巴斯BX43光學(xué)顯微鏡下觀察其微觀組織。

硬度測(cè)試:試驗(yàn)采用HM113型維氏顯微硬度計(jì)在0.2 kgf的載荷下進(jìn)行10 s來進(jìn)行的進(jìn)行硬度測(cè)試,對(duì)試樣取不同的位置將其表面硬度測(cè)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(cè)試:在干式滑動(dòng)條件下,通過在微型計(jì)算機(jī)控制的磨損測(cè)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(shí)間對(duì)鈷基合金摩擦性能的影響。為避免粗糙度對(duì)磨損性能影響,依次用150#、360#、600#砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨,對(duì)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量3次,使得其表面粗糙度Ra<0.2 μm[13]。

1.3 磨損體積計(jì)算模型

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

圖2 磨損示意圖

設(shè)磨球工作半徑為R,磨損長(zhǎng)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(dá)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(yàn)測(cè)得的磨痕寬度和磨痕深度得出磨損體積。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖3顯示了經(jīng)過不同時(shí)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(jìn)行對(duì)比可以看出,經(jīng)深冷處理后微觀組織更為均勻,深冷4h時(shí),碳化物析出,隨著深冷時(shí)間的延長(zhǎng),碳化物數(shù)量逐漸減少,而在深冷處理36 h時(shí),出現(xiàn)碳化物二次析出現(xiàn)象。

圖3 不同深冷時(shí)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(shí)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(dá)到最高,硬度值達(dá)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(guān)[14]。

圖4 不同深冷時(shí)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(shí)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(píng)價(jià)磨損行為最主要的指標(biāo)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(yàn)將單位長(zhǎng)度的磨損體積作為磨損率,其計(jì)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(guān)關(guān)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(dá)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(duì)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(cuò)運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)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(dòng)距離,m。

3 結(jié)論

1) 鈷基合金經(jīng)不同深冷時(shí)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(shí)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(shí)硬度達(dá)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(guān)。

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(shí)平均摩擦因數(shù)達(dá)到最低,相比未深冷降低了34.12%。

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