高强度低合金钢摩擦堆焊层耐点蚀性能和耐磨性的研究外文翻译资料

 2022-10-08 11:48:48

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高强度低合金钢摩擦堆焊层耐点蚀性能和耐磨性的研究

摘要

改变零件表面的组织性能对提高零件的使用性能有着很重要的作用。堆焊是一种应用最广泛的工艺手段用来改变零件表面性能。摩擦堆焊是一种在零件表面上镀上一层耐腐蚀材料的一种很重要的加工方法。在液态金属凝固的过程中，摩擦堆焊相比于其他传统堆焊方法有着更多的优点。这项研究的目的就是确定输入的变化，过程响应和结果预测模型之间的联系并且可以应用于设计新的摩擦堆焊方式。目前的工作就是，将奥氏体不锈钢AISI304表面与作为基体的高强度低碳钢进行磨损实验。摩擦堆焊的参数，比如相对焊接速度，熔敷金属的融化速度，焊接时力的大小，都在影响堆焊层耐点蚀性能起到一个很重要的作用并且影响着表面堆焊层的机械性能。表面的堆焊层与基体的耐点蚀性能都是用动态极化偏振技术测得的。表面的镀层组织则可以用光学显微镜，扫描电镜，X射线观察的十分清楚。在镀层中的奥氏体可以在一定条件下转变为应变马氏体。表面电镀层的耐腐蚀性能比基体材料的耐腐蚀性能要强很多。表面堆焊时主要的影响因素有三点（焊接速度，熔敷金属融化速度，轴向载荷）我们把实验条件划分为5个等级。而焊接过程中的方法则应用于制造焊接模型。在之前的研究中，我们试图用一个数学模型通过改变摩擦堆焊时的焊接工艺参数来预测堆焊后的基体耐点蚀性能和强度。

1介绍

工程材料的表面常常被人们进行一系列的特殊处理从而改变材料表面的性能使之与材料基体性能不同。通过结合不同的处理方法，能够改变材料基体表面的组织结构比如通过热处理可以改变基体表面的组成成分，堆焊层与基体的组成成分并不相同。工程材料的表面处理往往有很多方法，比如物理方法，物理-化学方法，焊接等等。固态的表面处理方式，并不涉及基体熔融和基体的凝固过程而直接影响的是阴阳离子的交换。因为它会直接影响与阳离子有关的材料缺陷从而短期作用形成了金属间化合物。摩擦堆焊是一种应用很广泛的固态处理方法，主要运用在某些需要较高耐磨性的材料制作上。堆焊方法的示意图如图一。摩擦堆焊主要用于连接在轴向载荷作用下的连接基板。在基板和涂覆杆之间的摩擦表面上会产生剧烈的摩擦热。在摩擦过程中产生的摩擦热量最终以塑性变形的形式散失掉。堆焊层的耐磨材料是通过机体在涂覆杆上旋转而产生的。金属涂层是通过涂层材料和基板之间的紧密接触摩擦而产生的较高的接触应力，而这较高的接触应力就是使金属涂层在基体上固态粘覆的一个重要原因，如图一。作为一个固态处理的过程，摩擦堆焊与普通的融焊相比较而言，有更多的优点。摩擦表面涂层金属有零稀释的作用并且在微观结构上颗粒非常细密。由于处理过程中并没有凝固过程与融化过程，所以存在的主要问题是脆性金属间化合物的行程和组织硬化开裂。但是不会产生气孔，致密性较好。这种固态处理技术应用的关键领域主要是硬质材料包括食品加工，化工，农业和医药等行业所需的各种类别。还有冲床，模具，工具和刀片的刀边剪切。它在修复磨损，损坏零件的领域里开辟了一条新的道路。

然而，对于许多实际应用中很多地方限制了摩擦堆焊的使用，由于过程中的输出问题，粘结质量问题和涂层尺寸的监视和控制问题并不能很好的控制。对使用摩擦堆焊获得优质涂料而言工艺参数的正确选择尤为重要。在整个过程中，为了保证堆焊稳定并且保证堆焊层的质量，在接触表面的摩擦产热过程中选择重要的工艺参数和旋转时间显得尤为重要。三个主要的摩擦堆焊参数是涂覆杆的旋转速度，基体的移动速度，和轴向力（达到能堆覆一层具有一定粘合强度和一定抗腐蚀性能所需质量的轴向力）。研究表明，我们需要确定在实际生产过程中如何确定最佳摩擦堆焊的工艺参数。

高强度低合金钢由于良好的使用性能和良好的焊接性被广泛使用。低合金钢的耐蚀性可通过表面涂层堆焊技术应用于不锈钢，高速钢，工具钢和金属基复合材料的修复和改善它们的使用性能。从许多相似的摩擦堆焊实验中可以看出，研究堆焊层微观组织和涂覆层的性能耐磨性机理十分重要。然而，很少有人系统研究各种工艺参数与所得堆焊层性能的相对应关系。特别是研究耐腐蚀性能和粘合强度的对应关系就更加寥寥无几。在目前的研究中，由于AISI 304在工业上的广泛运用，我们选择它作为高强度低合金钢耐蚀覆层材料。该研究主要在于观察微观结构，抗点蚀和摩擦堆焊高强度钢基体上产生的奥氏体不锈钢304涂料的完整性。

2材料和实验

不锈钢AISI304（直径15mm和长度250mm）和低合金钢板（10mmX100mmX250mm）中分别用为基体和涂覆材料。材料的化学成分示于表1。实验使用摩擦堆焊机（50 kN),由冶金研究实验室专门开发和设计用来进行摩擦堆焊实验。

试验主要用来确定摩擦堆焊的工艺参数，如涂覆杆转速（A），基板移动速度（B）和上涂覆杆（C）的轴向力的工作范围。参数选择范围用单一控制变量的方法选择，并且该涂覆层不应有任何可见缺陷。

在目前的研究中，温度的测量方法是用红外线照相机在涂覆层摩擦端测量，测量的最高温度达到1500℃。如图二所示的方法测量。红外线照相机聚焦在旋转电极/衬底界面处。

实验方法的设计原理在于最大化的来减少堆焊条件所需要的堆焊次数。三个重要的参数是，轴向力，涂覆杆旋转速度，基体的焊接速度。这三个参数当做实验的控制参数。中间的摩擦堆焊层由三个参数分为五个不同的等级。实验过程中广义的回归方程是如下。其中，Y是响应函数，以及bi（i=0，1，2，3）是受模型影响的用最小二乘法在实验结果数据拟合曲线上的系数。表2显示所选择的影响因素和其堆焊实验设计相对应的标准。表3示出的20个组的数据用来形成设计矩阵和输出值作为孔蚀电位和粘结强度的编码条件。摩擦堆焊层表面通过采用根据ASTM A578M专门开发的校准块进行超声检测（UT）。但是堆焊层粘合面面积大小需要进一步的检测。在飞利浦XPert Pro衍射仪使用铜卡辐射，对摩擦表面涂层进行X射线衍射研究，确定各相的存在。为评价摩擦表面涂层的完整性， 采用专门设计的冲压拉伸夹具进行冲压拉伸试验（图3），来测验涂层的抗拉强度。冲压拉伸试验的试样按照美军标MIL -的J - 24445（SH）的标准来制作。

用一个基于软件的gillac基本电化学系统进行极化试验，来研究摩擦表面抛光试样的点蚀行为。所有实验均在含有0.5mol/L硫酸和0.5mol/L氯化钠的电解液进行。试样电解液浸泡后，稳态电位记录10分钟，在扫描速率为 时，阳极电位提高。在被动区为点蚀电位Epit后，当前电位急剧增加，具有较高的正电位的试样被认为具有较好的耐点蚀性。

3.结果与讨论

3.1 组织

如图4所示是一种典型的摩擦表面涂层，可以看出，涂层与基体结合良好，除了在边缘（约0.2毫米，在任何一方）外，没有任何物理结构的不连续性。图5（a）显示了涂层/基体界面的微观结构。观察到界面（图5（b））相对均匀，具有良好的涂层完整性，界面区无氧化物夹杂。图5（c）及（d）显示组织的热影响区和母材。在靠近涂层界面的基板上观察到晶粒粗大化。在摩擦堆焊（图5（e））中，由于动态再结晶，发现了细晶奥氏体结构。

通过对X射线衍射的研究，进而评估出铁素体存在于沉积的奥氏体基体中。摩擦表面涂层的X射线衍射研究证实了铁素体的存在和应变诱发马氏体的处在（图6）。摩擦表面的涂层中没有铁素体明确表明温度（1000 摄氏度）摩擦堆焊过程中产生没有超过铁素体的形成所必需的极限（1200 摄氏度），还揭示了摩擦堆焊过程中涂覆材料没有被加热到铁素体和奥氏体区域。用红外热像仪（图7）测量旋转涂覆杆的摩擦端的温度证实了这样的结论。在摩擦表面的涂层没有铁素体有利于提高熔覆熔覆层的耐蚀性。

3.2耐点蚀性能

典型的基体材料和表面涂覆层的极化曲线图如图8, 9。点蚀电位Epit为耐点蚀性能比较的标准（表3）。较小的正电位Epit值意味着较低的耐点蚀能力，则代表较高的耐点蚀能力。当不锈钢与水接触时，氧化铬就会提供更好的耐腐蚀性。然而氧化铬可能打破在当前的位置而产生沉淀，氧化铬在材料的晶界沉淀时会产生非均质性弱，夹杂物、偏析等缺点。对于不锈钢局部腐蚀的另一个原因是氯离子在表面的非均质性和在一定位置积累聚集。

表3表明涂覆材料和摩擦材料的表面涂层的基本点蚀点位，耐点蚀表面涂层则被认为是比的涂覆材料材料电位低得多。在一般情况中，这是一个众所周知的事实，在摩擦堆焊过程中发生的金属组织微观结构的变化，将严重影响金属的腐蚀性能。在目前的研究中，金属组织微观结构的变化是由于在摩擦堆焊过程中的高应变率和动态再结晶而产生的。这是因为在堆焊过程中由于高应变率产生的动态再结晶会使金属微观组织发生变化。因为剧烈的塑性变形，所以塑性变形应变的幅度较大，会导致涂覆层金属由于摩擦而腐蚀。这些塑性应变可能反过来也有助于形成的应变从而诱发马氏体在摩擦表面形成。射线衍射结果（图6）清楚地揭示了在表面涂层的奥氏体基体中的马氏体形成的证据。

点蚀电位数据（表3）清楚地表明，耐点蚀性能的好坏随材料的转速的增加而增加。摩擦堆焊工艺参数中一个影响应变率的变量有且仅有转速。这是一个事实，应变率在塑性变形摩擦堆焊过程中增加并导致应变能增强同时应变诱发马氏体在奥氏体基体上作为涂覆材料转速上升的变量。一个可能的来源就是堆焊起始的时候晶界之间的应变诱导奥氏体基体。而应变诱发马氏体作为电化学反应中的活性阳极部位，从而导致了材料严重的局部腐蚀。在不锈钢中冷加工的过程中，也有类似的现象发生。

堆焊层表面凹陷密度的实验结果（图10）清楚地展现了马氏体的形成，降低涂覆杆转速和提高基板移动速度能够提高耐点蚀性能。在晶界内部破坏马氏体/奥氏体基体界面高低晶格的融合，从而导致严重的点蚀。由于马氏体和奥氏体晶界之间的应变能较差，所以这种晶格失配度也很高。由于晶界界面之间具有较高的应变能，奥氏体远离晶界区域的内部，因此，这种应变能是电化学反应的驱动力，导致局部点蚀非常严重。在涂覆杆上涂覆材料高转速与低的基体移动速度相结合的摩擦堆焊过程中会导致较差的耐点蚀表面涂层。

另一可能的机制是与在良好的堆焊位置上的表面涂覆层的氯化物离子的积累有关。在目前的工作中可以采用动电位极化法在氯盐环境中进行腐蚀试验（0.5 M NaCl）。有害的阴离子，最显著的氯离子，会造成氧化物使不锈钢组织化学分解。在摩擦表面的涂层里，内部应力，往往可能会产生接近的屈服强度的应力值。这导致在高阴离子浓度和盐电解质的局部区域，阴离子将迁移到应力梯度位置，在这些区域则会发生腐蚀的电解反应。在这种电解质的存在下，缺乏自发重新钝化的区域钝化破裂从而促进了此区域的极化。这是与目前的摩擦表面的不锈钢涂层的点蚀性能的研究结果一致的。从上面的结果可以清楚的了解到，摩擦堆焊层表面的不锈钢涂层表现出较差的耐点蚀性，未涂覆的不锈钢则耐点蚀性能较好。

3.3粘合强度

各种机械测试方法中，常用剪切强度试验、弯曲试验等来评估测试粘结强度，由Enright等人开发的拉伸试验拉伸试验方法被称为“撞击试验”。[ 19 ]撞击试验被认为是十分有意义的机械测试方法。拉伸试验方法是为了确保试样在粘合区的破坏，这是对试样施加一个纯粹的拉伸载荷，它代表材料的粘合强度。涂层试样的粘合强度见表3。从表3可以看出，堆焊后的表面合金AISI 304的屈服强度是500兆帕强度，最小剪切强度为238 Mpa所以在日常生产中AISI304得到了广泛的应用。但是在实验过程中所有冲压拉伸试验试样在涂层/基体界面的观察失败了。典型的拉伸试验试样的拉伸和拉伸图如图11所示。高粘结强度试样的断口形貌图12所示，图中明显可以看出含有韧性微孔断裂的特征。

3.4 表面反应模型的解释

摩擦堆焊实验的影响参数，即涂覆杆转速、基板移动速度和轴向力对耐点蚀和粘结强度的响应面模型如图13，14所示。这些模型可以帮助预估在任何的实验区域的点的耐点蚀性和粘结强度。材料热物理性质的界面温度的变化是一个复杂的过程，反应基体的几何参数如图20所示。表4通过开发的模型进行了测试并用方差进行了分析。R2为响应的值（0.88为耐腐蚀的粘结强度）大于0.70，意味着至少70%的应变诱导马氏体转变数据为每个反应的模型解释。反应的最终模型值是利用最小二乘法计算的模型系数。在最终确定系数之后，模型值可以用于实验预测。表格5是回归方程数据的回归分析。

等高线图在响应面研究中起着非常重要的作用，如果一个图案的轮廓度发生了变化，它往往表明单一因素的影响，而其他形状可能会表明因子相互作用的影响[ 11 ]。在这项研究中可以看出，所有的双因素轮廓线表明相互作用的影响是显著的。图13说明了点蚀性能涂料和工艺参数之间的关系。在涂覆杆转速（A）和基板导线速度（B）的耐蚀性响应表面显示了，基板移动速度（B）和mechtrode转速值（A）越大，输出值越大。从图14观察到的一般趋势是，旋转速度的增加会降低给定的基板导线的粘结强度；然而对于一个给定的转速，增加导线速度会增强粘结强度。对于一个给定的转速，涂覆杆轴向力的增加会导致粘结力的增强。

用粘结强度和耐点蚀性的最佳设置参数来进行确认实验，在预测最优粘结强度和耐点蚀性的置信区间内可以获得最佳的设置参数。这种专业优化软件可以用来优化工艺参数，从而获得最大的耐点蚀性和粘结强度的摩擦表面涂层。采用表面模型以每分钟1215转的转速涂覆杆预测最大的耐点蚀性能，基板导线135毫米/秒和35 kN轴向负荷的速度，采用响应面模型以每分钟1325转的转速涂覆杆预测最大粘结强度，基板导线165毫米/秒的速度和轴向载荷45 kN。

结论

目前的工作表明，在具有优良涂层/基体结合的低合金高强度钢基体上，奥氏体不锈钢AISI 304容易发生摩擦，在奥氏体基体中的应变诱发马氏体会出现在沉积条件下的涂层，耐点蚀性能的表面涂层的优越性远低于涂覆材料与基材的优越性。在目前的模型开发中，

对于工艺变量与涂层性能的识别与发展，响应曲面法是一种很有效的方法。优化的结果表明

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