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    316不鏽鋼管摩擦磨損性能研究

    作者:admin 來源: 日期:2018/12/4 22:42:37 人氣:15

    316不鏽鋼管為研究對象,采用火花直讀光譜儀檢測316不鏽鋼管的基本成分,利用高溫真空硬度計對316不鏽鋼管不同溫度下的維氏硬度進行測試與分析,采用金相顯微鏡對316不鏽鋼管的組織結構進行分析。分別以GCr15鋼、440C鋼、316不鏽鋼管304不鏽鋼管球為摩擦副,與316不鏽鋼管圓盤在萬能摩擦磨損試驗機上進行球盤摩擦實驗。結果表明:幹摩擦條件下,316不鏽鋼管的表麵耐磨性能優於304不鏽鋼管,弱於GCr15鋼與440C鋼。316不鏽鋼管GCr15鋼的高溫摩擦實驗表明:316不鏽鋼管的耐磨性能隨摩擦溫度的升高逐漸降低。溫度的升高導致316鋼組織變軟,以致加劇試樣與摩擦副之間的黏附黏著,導致嚴重磨損。

    不鏽鋼管有著良好的耐腐蝕性能,優異的加工性能,在多個領域得到了廣泛的應用。奧氏體不鏽鋼管不鏽鋼管中使用量和生產量最大的一種鋼材,以其優異的耐腐蝕性能和加工成型性能成為現代工業中重要的工程材料之一。奧氏體不鏽鋼管是麵心立方結構,無磁性,它的含鉻量在17%~25%之間,含鎳量在8%~25%之間。它在室溫下的組織為奧氏體,有著良好的塑性以及焊接性。由於其不但具備優良的耐腐蝕性能,而且有著良好的力學性能和加工性能,從而在機械設備領域獲得了廣泛的應用。

    316不鏽鋼管是典型的奧氏體不鏽鋼管之一,其擁有良好的韌性、塑性及耐腐蝕性能,被廣泛應用於石油化工、航海、能源開發等領域。與普通碳鋼相比,它具有優異的金屬光澤,較強的化學穩定性,十分出色的塑性和強度。而且它的力學性能無論在高溫還是低溫中都非常穩定。目前的研究中,大多關注對316不鏽鋼管的力學性能,對於316鋼之間的摩擦效應的研究卻沒有得到足夠重視。摩擦導致大量機械能的損耗,磨損又是摩擦行為的一種必然結果,這必然引起巨大的資源浪費。由於我國處於工業現代化的高速進程中,對於能源、工業材料的需求逐年上升。據統計,國家能源30%以上是由於摩擦消耗,同時磨損在製造行業造成的材料損耗數量也相當大,因此材料摩擦磨損性能的研究是當今一個具有重大社會經濟效益的問題。

    本文作者以316不鏽鋼管為研究對象,研究了316不鏽鋼管的化學成分組成、高溫維氏硬度、金相組織結構,並探究了常溫下不同摩擦副的摩擦性能以及高溫下的摩擦磨損性能。對316不鏽鋼管與不同摩擦副耐磨性進行的研究,為316不鏽鋼管在摩擦狀況時摩擦副的選擇及適用條件提供了一定的借鑒。

    實驗部分

    1.1 實驗材料及製備

    實驗材料:316不鏽鋼管GCr15鋼、440C鋼和304不鏽鋼管小球直徑為6mm。使用Foundry-MasterPro立式直讀光譜儀測得試驗用316不鏽鋼管的主要化學成分如表1所示。

    根據試驗機要求加工室溫摩擦磨損試樣,圖紙如圖1所示。此外,高溫維氏硬度試樣為ϕ30×4mm,高溫往複摩擦磨損試樣ϕ12×3mm

    1.2 實驗方法

    1)高溫維氏硬度實驗。用HVT-1000W高溫真空硬度計測試316不鏽鋼管在室溫(23℃)、100200300400℃下真空(真空度2×10-5Pa)環境中的維氏硬度。實驗載荷98N,保壓時間30s

    2)室溫摩擦磨損實驗。通過MMW-1A萬能摩擦磨損試驗機進行不鏽鋼管的摩擦試驗,試驗機原理如圖2所示。在室溫條件下,設定實驗載荷、實驗時間,采用不同硬度的鋼球(GCr15鋼、440C鋼、316鋼、304鋼)對磨316不鏽鋼管球盤,由摩擦試驗機實時讀取摩擦過程中的摩擦因數,通過探針式磨痕測量儀測量摩擦前後球盤的磨損量,通過三維形貌儀觀察316球盤磨損後的形貌。設定實驗參數如下:實驗溫度為室溫;摩擦速度100rmin;實驗載荷20N;實驗時間5min

    3)高溫摩擦磨損實驗。采用MGG-02高溫往複摩擦磨損試驗機對316不鏽鋼管圓盤的高溫摩擦性能進行測試。實驗裝置如圖3所示。通過試驗機實時讀取摩擦過程中的摩擦因數。摩擦試驗結束後,使用顯微鏡觀察摩擦試樣的磨痕形貌。設定實驗參數如下:實驗載荷20N,衝程2mm,頻率20Hz,實驗時間5min,實驗溫度分別為室溫(23℃)、100200300400℃。

    結果與討論

    2.1 高溫硬度分析

    4316不鏽鋼管在不同溫度下(23100200300400℃)的硬度試樣在光學顯微鏡下的圖片,其壓痕長度分別為297.417308.197321.790330.572353.859mm。將壓痕長度值代入維氏硬度計算公式計算相應溫度下的維氏硬度。維氏硬度的計算公式如下:HV0.102×FS0.102×2Fsinα/2d2其中:F為負荷(N);S為壓痕麵積(mm2);α為壓頭相對麵夾角136°;d為平均壓痕對角線長度(mm)。

    2316不鏽鋼管在不同溫度下的維氏硬度值,可以看出,隨溫度的不斷升高,316鋼的硬度值逐漸降低。當溫度由室溫升至200℃時硬度下降速率較快;當溫度由200℃升至400℃時硬度的下降速率變緩。整體來看,316不鏽鋼管在升溫過程中硬度值逐漸減小,表明316不鏽鋼管隨溫度的升高其結構組織逐漸變軟。

    2.2 金相組織分析

    為了對316不鏽鋼管的基體組織進行分析,采用金相顯微鏡對其進行組織觀察。圖5為通過金相實驗觀察到的316L不鏽鋼管的組織形貌。圖中黑色部分晶界較直,呈多規則多邊形,為奧氏體成分。白色部分呈塊狀,晶界比較圓滑,為鐵素體成分,增強奧氏體不鏽鋼管的抗裂和耐晶間腐蝕能力。因此,316不鏽鋼管試樣的基體組織由奧氏體組成,並含有一定含量的鐵素體。

    2.3 常溫摩擦磨損

    2.3.1 摩擦因數

    6304鋼球-316鋼試樣盤、GCr15鋼球-316鋼試樣盤、440C鋼球-316鋼試樣盤、316-316鋼試樣盤4種不同摩擦副在相同條件下與試樣盤相互對磨得到的摩擦因數隨時間的變化曲線。從圖中可以看出,相同的條件下摩擦副316鋼球-316鋼試樣盤的摩擦因數明顯大於其他3種材料的摩擦因數。這是由於同種鋼材料,硬度相同,更容易產生黏著磨損,說明了316鋼在該情況下黏著磨損嚴重。此外,GCr15鋼球-316鋼試樣盤與440C鋼球-316鋼試樣盤的摩擦因數隨摩擦時間的增長而不斷增大,呈現出類似的增長趨勢。304鋼球-316鋼試樣盤的摩擦因數大小隨摩擦時間的增長而變化不大,說明304鋼球-316鋼試樣盤摩擦副呈現出良好的穩定性。通過計算可知,摩擦副304鋼球-316鋼試樣盤、GCr15鋼球-316鋼試樣盤、440C鋼球-316鋼試樣盤、316-316鋼試樣盤的摩擦因數平均值分別為0.46060.27730.34630.6088。因此可以說明GCr15鋼與其他材料相比,其減磨性能最好。其次是440C鋼、304鋼,而316鋼與316鋼之間易發生黏著磨損,其減磨性能最差。

    2.3.2 三維形貌

    7GCr15鋼球-316鋼試樣盤、304鋼球-316鋼試樣盤、440C鋼球-316鋼試樣盤、316鋼球-316鋼試樣盤4種不同摩擦副在相同條件下對磨後,應用三維形貌儀掃描316試樣盤後得到的磨痕立體圖。由圖可以看出,GCr15鋼球-316鋼試樣盤磨損程度最小,440C鋼球-316鋼試樣盤摩擦副磨損程度次之,而316鋼球-316鋼試樣盤的磨損程度最嚴重。因此,說明了在以316鋼為基本摩擦副情況下,GCr15鋼球的耐磨性能強於440C304316鋼球。通過軟件計算得知,4種摩擦副下316試樣的磨痕平均高度分別為35.06147.55142.33251.291μm,這與摩擦副的磨損形貌和磨損程度結果相吻合。

    2.3.3 磨損量

    3GCr15鋼球-316鋼試樣盤、304鋼球-316鋼試樣盤、440C鋼球-316鋼試樣盤、316鋼球-316鋼試樣盤4種不同摩擦副在相同條件下對磨後,應用探針式磨痕測量儀測試316試樣的磨痕及磨損量結果。從圖中可以看出GCr15鋼球的磨痕寬度、磨痕深度及磨損量均最小,所以GCr15鋼球-316鋼試樣盤對磨時的減磨性能最好,而摩擦副440C304鋼下的316試樣的磨痕寬度、磨痕深度及磨損量大於摩擦副316鋼球,進而316鋼球的減磨性能最差。因此在這4種摩擦副中GCr15-316鋼試樣的減磨性能最好,而316-316鋼試樣盤的減磨性能最差。

    2.4 高溫摩擦磨損

    2.4.1 摩擦因數因摩擦副GCr15-316鋼試樣盤在常溫摩擦條件下表現的良好摩擦性能,選用GCr15為對磨材料,對316鋼試樣盤進行高溫條件下的摩擦性能探究。圖8為摩擦副GCr15鋼球-316鋼試樣盤在不同溫度下(23100200300400℃)進行對磨,其摩擦因數隨摩擦時間的變化曲線。

    從圖中可以看出,摩擦因數的大小隨對磨溫度的升高總體呈現出增大的趨勢,這是由於溫度的升高導致鋼的結構組織變軟所致。室溫條件下,摩擦因數隨摩擦時間的增大而增大,這是由於隨摩擦的不斷進行,鋼磨屑的出現增大了試樣表麵的粗糙程度,導致阻礙摩擦的力增大,進而摩擦因數增大。而在摩擦副的對磨溫度大於100℃時,隨摩擦時間的增長摩擦因數呈現出逐漸減小的趨勢,這是由於溫度升高,鋼磨屑組織變軟並在摩擦表麵形成一種自潤滑薄膜,致使摩擦因數的不斷減小並趨於平衡。綜上所述,316不鏽鋼管的高溫耐磨性較差,適用於溫度較低的,一般低於200℃高溫摩擦工作場合。

    2.4.2 磨痕

    通過光學顯微鏡對高溫摩擦後的316鋼試樣盤磨損形貌進行觀察分析,如圖9所示。由圖可知,316鋼試樣盤的磨痕寬度隨實驗溫度的變化而發生變化。在摩擦溫度分別為23100200300400℃時,316不鏽鋼管試樣的磨痕隨著溫度的升高逐漸變寬,分別是0.851.001.101.211.39mm,具有明顯變寬的趨勢。說明隨著溫度的增加316不鏽鋼管的表麵塑性變形增加。這是由於提高溫度導致316鋼組織變軟,以致在摩擦實驗中加劇了摩擦副與試樣間的黏著,而在隨後的磨損過程中,摩擦副與試樣間發生了不同程度的物質轉移,導致不鏽鋼管試樣磨痕增大。

    結論

    通過對316不鏽鋼管的硬度和摩擦性質分析,得出以下結論:

    (1)高溫硬度實驗表明316不鏽鋼管隨作用溫度的升高,其鋼組織變軟,硬度降低。

    (2)常溫摩擦實驗表明在不同摩擦副存在條件下,摩擦副GCr15-316鋼展現出良好的摩擦性質,GCr15作為與316不鏽鋼管最好的對磨材料。

    (3)高溫摩擦實驗表明316不鏽鋼管的摩擦性能隨工作溫度的升高不斷下降,在高溫摩擦工作場合中,一般操作溫度不宜高於200℃。

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