激光熔覆SiC/MoS2铁基覆层组织与摩擦学性能研究

摘要

实际生产中，模具等机械产品常由于表面磨损而导致早期失效，即严重影响了工业生产的效率，同时也极大的增加了生产成本，严重阻碍了工业生产的发展。本文针对模具等机械设备表面磨损失效的特点，采用理论分析和正交试验的方法，设计并制备了以HD钢(4Cr3Mo2VNiNb)成分为主要粘结相（简称HD-1）、SiC/MoS2为颗粒相的正交试验激光覆层，并运用OM、电子探针（BEI、EDS）、XRD、显微硬度及球盘式摩擦磨损试验等方法分析研究了覆层的显微组织结构与力学性能。
　　试验结果表明，在45钢基体上制备的HD-1和HD-1/SiC/MoS2正交试验覆层的成形性较好，但添加SiC/MoS2颗粒相后覆层中出现少量的气孔、裂纹，而降低合金粉末中的碳含量可以减少裂纹缺陷。激光熔覆层的晶粒细小，HD-1覆层主要由细小晶粒的过饱和α-Fe(Cr、Ni、Si、Mo等)固溶体及其晶间网状残余奥氏体组织组成；而添加SiC/MoS2的覆层中还分布着细小碳化物颗粒（Cr、Mo、V等碳化物）和金属硫化物（CrS、MnS、MoS2），且残余奥氏体沿晶界呈断续网状分布。添加的SiC/MoS2颗粒大部分在激光熔覆过程中烧损分解，形成的固溶体及碳化物有利于提高覆层硬度，而残留的及新形成的金属硫化物（CrS、MoS2、MnS）使覆层硬度有所下降。添加SiC/MoS2的正交覆层硬度较纯粘结相有不同程度的提高，其中8G覆层硬度最高（807HV0.2），较纯粘接相提高约20％。
　　室温条件下与淬火GCr15钢球对磨时，激光覆层主要以粘着磨损为主，同时存在少量的氧化磨损和磨粒磨损，其中纯粘结相覆层粘着磨损较严重，而添加颗粒相的覆层磨损表面还会形成一定的硫化物润滑膜。正交覆层摩擦系数较纯粘结相覆层均显著下降，其中8G覆层的摩擦系数最小且为0.14，较纯粘结相降低了39%；而体积磨损率随覆层硬度增大而减小，其中8G覆层体积磨损率最小（0.91×10-3mm3/m），较纯粘结相覆层减小了40%，综合考虑摩擦系数、体积磨损率并根据优化试验的结果，推荐的最优覆层组合是9%SiC、1.5%MoS2、12mm/s。
　　室温下与退火GCr15钢球对磨时，主要以磨粒磨损为主，同时伴随有粘着磨损和氧化磨损，添加SiC/MoS2覆层的磨损表面同样存在着一定的硫化物润滑膜。正交覆层的摩擦系数较纯粘结相覆层有所下降，其中8C、8G的摩擦系数较纯粘结相覆层分别减小了28%与30%；而正交覆层的耐磨性则显著提高，8A、8C、8D、8F、8G、8H、8I的体积磨损率均小于纯粘结相体积磨损率的一半，其中8I的体积磨损率最小（5.98×10-3mm3/m），较纯粘结相覆层降低了66%。综合考虑摩擦系数与体积磨损率，推荐的优化组合为9%SiC、1.5%MoS2、12mm/s。
　　而覆层在300℃高温条件下与淬火GCr15对磨时，磨损过程依旧以粘着磨损为主，但氧化磨损程度增加。正交覆层的摩擦系数与体积磨损率较纯粘结相覆层均显著下降。SiC加入导致覆层摩擦系数增大，而体积磨损率减小；而MoS2加入量增大有利于摩擦系数的减小，也会改善覆层的磨损率，推荐的优化组合为9%SiC、4.5%MoS2、12mm/s。
　　综合而言，本次试验制备的激光覆层具有一定的耐磨减摩效果，但适用于不同摩擦条件下的材料配方组合不同，需根据具体情况选择相应的覆层材料配方。室温条件下应选用9%SiC、1.5%MoS2、12mm/s的组合，而300℃条件下应选用9%SiC、4.5%MoS2、12mm/s的组合。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2热冲压模具的失效形式

1.3激光熔覆技术

1.4自润滑材料

1.5本文研究目的和主要内容

第二章 试验材料与方法

2.1试验设计思想

2.2试验材料

2.3试验方法

2.4摩擦磨损试验

第三章 激光覆层组织与性能

3.1正交试验设计

3.2正交试验激光覆层形貌

3.3正交试验激光覆层显微组织

3.4覆层XRD分析

3.5覆层电子探针分析

3.6覆层显微硬度测试

3.7 本章小结

第四章 摩擦磨损试验及分析

4.1室温下与淬火GCr15钢球对磨时球盘磨损试验

4.2对磨球为退火GCr15钢球时球盘磨损试验

4.3高温条件下与淬火GCr15对磨摩擦磨损试验

4.4本章小结

第五章 优化覆层组织与性能

5.1优化试验方案

5.2覆层形貌与组织

5.3球盘摩擦磨损试验

5.4砂浆磨损试验

5.5本章小结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献