电弧增材制造高锰钢滑动磨损研究

来源： 金属磨损与润滑

钢通常被用来维持结构实体和抵抗机械变形；磨损失效是钢构件常见的失效方式之一。锰钢因其优良的耐磨性和强度，广泛应用于铁路、工程机械等工业设备。高锰钢在恶劣的使用环境中存在研究的磨损行为，影响着构件的服役寿命。合金元素的加入通过影响二次相、晶界结构和晶粒尺寸来影响钢的耐磨性。Cr加速了稳态Cr碳化物（M7C3、M23C6和M3C）的形成。M7C3碳化物提高了硬度，防止了磨砂颗粒穿透基底，从而提高了摩擦学性能。金属增材制造（金属3D打印）是一种很有前途的技术，广泛应用于各种工业应用，如航空航天、汽车、生物医学、能源、空间、建筑、电子、海洋和海上应用，因为它能够制造复杂的几何形状与定制的功能。基于此，江苏科技大学刘珍光老师团队利用高锰钢的加工硬化特征，采用电弧增材制造技术制备了添加和不添加Cr的高锰钢涂层。揭示了高锰钢涂层的微观形态和相结构与磨损性能之间的关联性，了解Cr添加对微观结构、磨损行为的影响。相关研究成果发表在摩擦学顶刊《Wear》。

相关链接：https://doi.org/10.1016/j.wear.2024.205242

研究使用电弧增材制造(WAAM)在碳钢（Q235）表面包覆了两层涂层。根据合金元素Mn和Cr的含量，它们被称为高锰（HiMn）涂层和高锰中铬（HiMnMeCr）涂层。将碳钢在300◦C下预热30 min，以减少裂纹的发生。主要制造参数为：电流300 A、电压30 V、涂层速度10.7 m/min、保护气体流量（20 % CO2+80 % Ar），10 L/min。根据以往的试验，选择和优化了制造参数。制备的涂层分为两层，厚度为~4 mm。磨损试样的尺寸为20 mm×20 mm×4 mm。每次磨损试验的速度为50 mm/s，频率为5 Hz，轨道长度为5 mm，磨损试验时间为60 min。选取试验参数来模拟导向滑靴的厚度损失。磨损试验采用了三种加载力（50、100和120 N）。选择加载力模拟了严重的实际情况，研究了严重塑性变形情况下应变诱导马氏体相变和工作硬化效应。实验结果表明，Cr的加入使电弧增材制造HiMn涂层的微观结构从双相奥氏体+马氏体转变为单奥氏体。Cr的加入延长了磨损过程的磨合期，由于奥氏体严重的塑性变形，降低了电弧增材制造 HiMnMeCr涂层的耐磨性。在50和100 N的载荷下，HiMn涂层的主要磨损机制是一种复杂的磨料和粘合剂磨损模式。然而，在120 N的载荷下，HiMnMeCr涂层的主要磨损机制是在所有测试载荷下的磨料磨损。

主要图表

图1. 所制备的涂料的WAAM工艺示意图和微观结构特性

图2. 使用OM、SEM和EDS制备涂层的微观结构形态：(a) HiMn（OM）、(d) HiMnMeCr（OM）、(b) HiMn（SEM）；(e) HiMnMeCr（SEM）；(c) HiMn（EDS）和(f) HiMnMeCr（EDS）

图3. 制备好的涂层的磨损率。x轴上的数字提供了加载力的值

图4. 制备涂层磨损轨迹的深度分布：(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

图5. 制备的涂层在不同加载力下的摩擦系数：(a) HiMn涂层；(b) HiMnMeCr涂层

图6. 制备涂层沿磨损轨道磨损表面深度方向的硬度变化：(a) HiMn涂层；(b) HiMnMeCr涂层

图7. 制备涂层磨损轨迹下的截面金相图：(a)HiMn-50N(b)HiMn-100N(c)HiMn-120N(d)HiMnMeCr-50N(e)HiMnMeCr-100N和(f) HiMnMeCr-120 N

图8. 磨损轨迹扫描SEM图像：(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

图9. 磨损轨道表面的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

图10. 涂层磨损机理示意图

结论
在这项研究中，两种类型的高锰钢制造使用电弧增材制造技术阐明铬的作用添加微观结构形态和抗滑动磨损通过使用二氧化锆作为对抗材料和腐蚀使用OM、SEM、EDS、硬度测试。新的发现如下：

HiMn涂层的微观结构由马氏体和奥氏体组成。然而，其中一种HiMnMeCr涂层包含奥氏体。
HiMn涂层的磨损率低于HiMnMeCr涂层。在测试的持续时间内，HiMn涂层的磨损过程包括磨合周期和准稳态周期。然而，HiMnMeCr涂层仅包含一个磨合期。两种制备涂层的磨损过程差异归因于严重的塑性变形引起的加工硬化效应。
HiMn涂层的主要磨损机制从磨料磨损和粘合剂磨损的复杂模式转变为单一粘合剂磨损。HiMnMeCr涂层仅显示出粘合剂磨损。