316不锈钢表面改性及其摩擦学性能研究

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奥氏体不锈钢具有良好的综合力学性能、质量稳定、易加工、焊接性能以及强抗腐蚀性能,在航天航空、海洋工程、医疗器械等众多领域得到了广泛应用。但奥氏体不锈钢硬度低、耐磨性差,其制作成的零部件在实际工况中容易发生磨损。以高水基液压泵为例,由于奥氏体不锈钢制造成的配流副具有较高的摩擦因数以及表面承载能力弱等因素的限制,在与缸体配副对磨过程中,配流副表面难以形成稳定的液体油膜,极易导致摩擦副表面磨损失效,缩短配流副的使用寿命,进而影响高水基液压泵的性能。因此,改善奥氏体不锈钢表面性能,探索其减摩机理,对于奥氏体不锈钢用于制造滑动摩擦配副零部件具有显著意义。相对于传统的单一表面改性技术,本文采用“减材+增材”的加工思路对316奥氏体不锈钢进行复合处理。首先采用磨料水射流对316不锈钢表面进行喷丸处理,利用高压泵产生的高压水以及供丸装置送出的砂丸一起在混合室发生剧烈碰撞和能量交换,最后一起通过喷嘴喷出,形成磨料射流喷射到试样表面,基于不均匀的塑性变形和冷作硬化理论,试样表面呈现出连续密排的凹槽织构,再对表面织构化试样进行离子渗氮二次处理,最终获得了性能优异的表面改性层。分析了复合改性层表面形貌、表层相结构与韧性等特性,同时对不同表面处理试样的力学性能以及在干摩擦和液体润滑条件下的摩擦学行为以及磨损机理进行了研究。本文主要研究内容如下:(1)采用磨料水射流技术对316不锈钢试样进行喷丸处理,探究了射流压力、喷嘴移动速度、喷射靶距等参数的变化对316不锈钢粗糙度、表面显微硬度、表面残余应力的影响。经磨料水射流喷丸处理后,试样表面粗糙度和显微硬度显著增加,表面产生了新的凹槽织构,硬度得到显著提升,并且在316不锈钢试样表面引入一定量的残余压应力。结果表明:喷射压力、靶距和横移速度对316不锈钢表面性能影响明显,有效的改变了316不锈钢表面形貌和性能,进而改善其疲劳强度。(2)为了得到影响316不锈钢表面综合质量的最佳工艺参数,采用正交实验研究了射流压力、喷嘴移动速度、喷射靶距对试样表面强化质量的影响。对实验结果进行分析,结果表明:三因素对试样表面粗糙度影响程度的主次顺序依次为:压力>靶距>横移速度;对试样表面残余压应力影响程度主次顺序依次为:靶距>压力>横移速度;对试样表面综合质量影响程度主次顺序依次为:压力>靶距>横移速度。经过多因素优化设计,以信噪比为评价指标,得到了喷丸处理最佳参数组合:射流压力120 Mpa,靶距20 mm,横移速度500 mm·min-1。(3)在最佳工艺参数组合条件下对试样进行离子渗氮二次处理,获得了表面织构-离子氮化复合改性层。复合处理后的试样表面形成连续密排的凹槽织构,表面改性层产生了Fe2N、Cr2N、Cr N等化合物,离子渗氮层厚度大约为10μm,表面显微硬度(79 HRC)和表面粗糙度(1.10μm)均高于单一表面处理试样。(4)在干摩擦条件下,与Si3N4陶瓷球对磨时,所有试样的摩擦因数都伴随不同程度的波动。316SS试样摩擦因数高于织构化316不锈钢(ST-316SS)、渗氮316不锈钢(PN-316SS)以及织构-渗氮316不锈钢(ST-PN-316SS),其中ST-PN-316SS摩擦因数在0.25-0.3之间波动,摩擦因数最低,磨损量仅为0.3 mg,磨损机理为轻微的疲劳磨损和氧化磨损。表明在干摩擦条件下,复合处理改性层较高的承载力与摩擦配副表面接触面积的减少起到了减摩作用。(5)在液体润滑条件下,三种不同表面改性试样均具有良好的减摩抗磨作用,其中PN-316SS试样摩擦因数逐渐升高,波动幅度较大,并且摩擦因数与316SS逐渐接近。对于ST-316SS和ST-PN-316SS来说,由于凹槽织构存储润滑液的作用,在滑动过程中能够持续润滑,因此ST-316SS和ST-PN-316SS摩擦因数较低,并且在整个滑动过程中未能连续形成完整连续的磨痕。从磨损量来看复合处理试样的磨损失重比ST-316SS磨损量低。
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