金属到金属滑动磨损

在金属材料中,钴基合金通常被认为是在没有润滑的情况下,在高负荷下最耐滑动磨损的。188bet金宝搏手机客户端下载在这种情况下,一种称为“磨损”的损伤形式很常见;这被认为是由总塑性变形、原子键合(或冷焊)引起的,然后在一个或两个表面上断裂,导致材料转移。如下文所示,测试结果证实钴基合金耐磨损。此外,它们表明不锈钢非常容易发生这种形式的损坏,与它们的原子结构无关。

然而,陷入困境并不是在非润滑滑动系统中遇到的唯一损坏的形式。在较低载荷处,特别是在高相对速度(诱导金属表面的相当大加热),氧化物生长和剥离是一种可能性。在这种情况下(有时被称为“氧化”磨损),基础金属的特性有些掩蔽。这肯定在超过约500℃的温度下真实,其中氧化物倾向于控制滑动磨损过程,只要底层材料足够地支持。在非常高的温度下,可以在滑动金属材料上产生非常光滑的氧化物表面;已经抑制了这些所谓的“玻璃”可能涉及某种形式的热转化,或者易于剪切的细氧化物颗粒且甚至出接触表面。

Haynes International(和以前的公司)的金属对金属磨损测试历史长达40年。金宝搏app在早期(1978年至1986年),使用磨损和钉块试验来评估和比较当时公司投资组合中铸造和堆焊材料(主要是钴基和镍基)的特性(该业务的硬面部分于1986年出售)。一种能够进行高温测试的针盘(POD)装置被制造出来,但结果令人怀疑,很快就失宠了。1981年进行了一些室温和高温金属对金属接触试验(位于加利福尼亚州的通用原子公司)(克鲁克和李,1983年),并明确指出了钴的益处,尽管它涉及堆焊(硬面)材料而非锻造产品。

Haynes International第二阶段的金属对金属测试与ULTIMET®合金的开发和金宝搏app推广同时进行。ULTIMET®合金是Haynes实验室在出售硬面业务后推出的第一种锻造、钴基、耐腐蚀和耐磨材料。该阶段从1989年至1992年,主要涉及锻造材料的磨损试验,尽管对其他形式的ULTIMET®合金进行了试验,特别是由Haynes生产的锻造焊丝耗材制成的堆焊层。

金宝搏app哈伊恩斯国际最近仅进入了第三期金属到金属测试,凭借购买ASTM G99兼容的针圆盘测试仪,加上Haynes陷入困境试验夹具的重新捕获。更重要的是,海恩斯国际已获得广域,基金宝搏app于激光,3D测量系统,以实现极其准确的表面分析。

符合ASTM G99的销盘试验和Haynes磨损试验位于金属对金属滑动磨损谱的两端。销盘试验模拟高金宝搏app速/低负载条件(例如,在许多轴承和旋转密封中发现),而磨损试验模拟低速/高负载条件(例如,在螺栓的高扭矩连接和拆卸过程中发现)。在没有液体的情况下,在高速/低负载、金属对金属滑动过程中可能会产生较高的表面温度;这些可能导致碎屑中含有氧化物颗粒。

另一方面,磨损可导致卡滞(由于材料的粘合),并可在较小的滑动距离内产生相对大量的损坏(大块材料从一个表面转移到另一个表面,或在界面处释放)。

为了说明合金基体和强化机制对高速/低负荷滑动磨损的影响,Haynes International早期在符合ASTM G99的销盘式试验机上的工作重点是(自耦合)Haynes®25、230®和282®合金。HAYNES®25合金是一种钴基合金,含有1金宝搏app0 wt.%的镍以调整其转变趋势。HAYNES®230®合金是一种镍基合金,具有非常相似的合金添加剂,具有相似的水平。HAYNES®282®合金是一种伽马素强化镍基材料。188bet金宝搏手机客户端下载

三种合金上的销磨损程度如下图所示,这表明钴基HAYNES®25合金在30188bet金宝搏手机客户端下载 N负载和2 m/s线速度下的耐磨性最强。金宝搏app

销磨损30N, 2m-s线性速度

伽马素强化HAYNES®282®合金在这些条件下的金宝搏app耐磨性明显高于固溶体强化镍基HAYNES®230®合金。此外,发现282®合金在10和20 N的载荷下表现出非常低的摩擦系数,而25和230®合金的摩擦系数通常与10到30 N的载荷无关,如下图所示。188bet金宝搏手机客户端下载

HAYNES®282®合金摩擦系数的连续测量金宝搏app
10、20和30牛顿的载荷(线性滑动速度2 m/s)

HAYNES®282®合金摩擦系数的连续测量金宝搏app

HAYNES®25合金在室温下摩擦系数的连续测量金宝搏app
10、20和30牛顿的载荷(线性滑动速度2 m/s)

HAYNES®25合金摩擦系数的连续测量金宝搏app

Haynes®230®合金摩擦系数的连续测量金宝搏app
10、20和30牛顿的载荷(线性滑动速度2 m/s)

HAYNES®230®合金摩擦系数的连续测量金宝搏app

Haynes International使用的第一次陷入困境,金宝搏app设计简单,涉及9.5毫米直径销(滑动表面,垂直于圆柱形轴线)的旋转(通过360°),靠在尺寸102mm的块上x 102mm x 12.7 mm,在各种负载下(使用拉伸试验机施加压缩模式)。该测试的主要问题,除了在滑动界面处的变形和裂缝事件和销对机耦合时相关的负载变化,是分析的主观性质。

分析包括对滑动表面进行目视检查,并确定是否发生了“磨损”。测试是在各种载荷下进行的,这些载荷通过表观接触面积转换为应力,并确定阈值应力(观察到磨损的最低应力)。第一次测试无法区分当时公司产品组合中的各种耐磨钴基STELLITE®合金,扫描电子显微镜显示,目视检查仅显示损伤的规模,188bet金宝搏手机客户端下载即表面声称没有磨损,显示出相同的损伤迹象,只是在微尺度上。

为了弥补第一次测试的一些局限性,我们做了一些改变(特别是在访问了Armco的摩擦学实验室之后,他们使用了类似的测试,但使用了顺时针-逆时针的多次旋转技术)。最重要的变化是用表面轮廓术定量测定块表面峰谷振幅的变化,取代了目视检查。总体而言,销面和块面出现了类似的变化;因此,它被认为是适当的,只分析块表面,这更符合轮廓术(没有边缘下降)。其他变化包括更大直径(15.9 mm)的销钉,以适应顶部更大的内锥形状(用于保持用于从拉伸机转移负载的球轴承),以及一个超过120°弧的顺时针-逆时针10冲程旋转技术。

顺便说一句,ASTM标准(G98)材料耐磨损试验方法与Armco使用的方法相似,该方法在ASTM中有很强的代表性。然而,这需要引脚的一次旋转(在标准中称为按钮)和对磨损应力阈值的主观判断(这在钴基合金的排名中被认为是不可接受的)。188bet金宝搏手机客户端下载

以下三幅图给出了使用1981年引入的试验生成的、涉及表面轮廓术的自耦合/匹配磨损数据(适用金宝搏app于Haynes International当前的许多锻造产品组合)。

1361 kg载荷下的磨损损伤程度(um)
*老化
316L、410和2205完全被卡住(损伤程度超过200µm)

磨损程度的损伤(UM)2722千克负荷
*老化
316L、410和2205未在2722 kg的载荷下进行试验
17-4 PH太粗糙无法测量(破损程度超过200µm)

4082 kg负载的磨损损伤程度(um)
*老化
316L、410和2205未在4082 kg的载荷下进行试验
17-4 PH太粗糙无法测量(破损程度超过200µm)
230®和HR-120®合金的值超过200µm188bet金宝搏手机客户端下载

审查这些数字表示:

  1. 钴基材料6B合金、ULTIMET®合金和25合金在所有三种负载下自耦合时表现出极高的耐磨性。
  2. NITRONIC®合金60(一种由Armco开发的高硅200型奥氏体不锈钢)在最低负载下具有极高的耐磨性,但在较高负载下耐磨性较差。
  3. 镍对钴合金的耐磨性有害,如188合金(22 wt.%Ni)相对于ULTIMET®合金(9 wt.%Ni)和25合金(10 w188bet金宝搏手机客户端下载t.%Ni)的性能所示。
  4. 在所测试的镍基合金中,最耐磨损的是时效硬188bet金宝搏手机客户端下载化718合金;这对于其他伽马双素或伽马素强化超级合金来说是个好兆头。
  5. 镍铬 - 钼(C型)合金和625合金表现出在所研究的负载范围内的中等抗性。188bet金宝搏手机客户端下载
  6. 除NITRONIC®合金60外,不锈钢极易磨损;事实上,除时效硬化的17-4 PH合金外,不锈钢的粘结力往往非常强,以至于在自配试验过程中卡住(如此之大,以至于甚至没有考虑在更高的载荷下进行试验)。

关于不同的配对材料的效果,在下图中的锻造Ultimet®合金说明了这些。对于所有这些测试,销是由Ultimet®杆制成的,并且块由配对面材料板制成(沿X轴表示)。Ultimet®合金与许多不同的材料兼容,陷入困境;对于其他钴合金,这并不一定是正确的。188bet金宝搏手机客户端下载注意,除304和410不锈钢的情况外,损坏程度的负荷的影响不强。

ULTIMET合金与背面材料的磨损损伤程度(um)

鉴于耐磨钴合金的许多应用涉及(关键表面)堆焊,下图描述了稀释对ULTIMET®焊缝耐磨性的影响,如采用钨极气体保护焊(或TIG)焊接工艺。这些数据(188bet金宝搏手机客户端下载克鲁克,1993年)是用一种不同寻常的方法产生的,包括制造预混合的消耗品,并将其沉积在冷却的铜块上,以创建已知的均质成分的“全焊接金属”样品。

在确认稀释效果取决于基材的类型的情况下,选择了两种组成不同的材料,用于与Ultimet®合金预混合。这些是1040碳钢和316L不锈钢。关于所选择的研究(9.1%和16.7%)的稀释水平,这些表示“覆盖到基质”的比率为10:1和5:1(稀释被定义为焊缝中基板的百分比)。还制备并测试了Ultimet®合金的未稀释样品。

为了制造预混合耗材(直径为4.8mm的焊条),使用了高频炉和顶吸铸造系统。装料材料为锻造坯料(对于ULTIMET®合金)和锻造板切割件(对于碳钢和不锈钢)。

从这些数据中,显而易见的是,稀释(在9.1%和16.7%的水平下,该水平将被认为是低于中等的)对ULTIMET®合金的粘性抗性影响不大。

稀释自配ULTIMET GTA堆焊层的磨损损伤程度(um)

虽然上述1981年在通用原子进行的金属对金属滑动试验涉及堆焊(非锻造)材料的性能,但它们确实表明了合金基体和温度的重要性。因此,得到的图表是有价值的,如下所示。

含不同钴、镍、铁含量的合金磨损188bet金宝搏手机客户端下载率

500摄氏度的磨损率为CO,NI,FE的不同水平的合金接触压力188bet金宝搏手机客户端下载

最后,重要的是表明现代磨损测试的复杂性和准确性在海恩斯国际。金宝搏app最近(Krishnamurthy和Crook, 2018年),进行了磨损试验,以量化钴作为磨损合金基体的好处,并研究(镍基合金)γ -prime强化的好处。188bet金宝搏手机客户端下载为了实现这一目标,对HAYNES®25、金宝搏app230®和282®合金进行了比较。188bet金宝搏手机客户端下载使用基于激光的广域三维测量系统生成的结果如下柱状图所示。这包括2722公斤(6000磅)的负载和1981年的多冲程程序。

块疤痕粗糙度,um自耦合

块疤粗糙度,um 316L不锈钢块

从这些图表中可以明显看出:

  1. 钴(作为锻造合金底座)提供比镍的粘合更高的耐粘,无论是根据峰值粗糙度的峰值粗糙度,或叶片疤痕的均匀平方粗糙度。
  2. 这适用于自耦合系统和316L反面。
  3. γ -prime强化对高温镍合金的抗磨损性能非常有利,无论是在自耦合条件下,还是相对于316L不锈钢。188bet金宝搏手机客户端下载

重要的是,上述条形图中的值表示总瘢痕区域的基于激光的读数,而不是沿着两直径的基于触控笔的读数(如上次时)。此外,所有夫妻都经过两次测试,并且结果平均。

下图所示的最后一个图形是HAYNES®230®块疤的激光生成图像(放大1500倍),颜色编码用于指示表面特征的高度和深度。金宝搏app

HAYNES®230®块疤痕的激光生成图像金宝搏app

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