アーク積層造形法で製造した高マンガン鋼の滑り摩耗に関する研究

アーク積層造形法で製造した高マンガン鋼の滑り摩耗に関する研究
出典: 金属の摩耗と潤滑

鋼は構造の完全性を維持し、機械的変形に抵抗するためによく使用されます。摩耗による故障は鋼部品の一般的な故障モードの 1 つです。マンガン鋼は、耐摩耗性と強度に優れているため、鉄道や建設機械などの産業機器に広く使用されています。高マンガン鋼は過酷な動作環境では摩耗特性が悪く、部品の耐用年数に影響を与えます。合金元素の添加は、二次相、粒界構造、粒径に影響を与え、鋼の耐摩耗性に影響を与えます。 Cr は安定した Cr 炭化物 (M7C3、M23C6、M3C) の形成を促進します。 M7C3 炭化物は硬度を高め、研磨粒子が基材に浸透するのを防ぎ、それによって摩擦性能を向上させます。金属付加製造(金属 3D プリント)は、カスタマイズされた機能を備えた複雑な形状を製造できるため、航空宇宙、自動車、生物医学、エネルギー、宇宙、建設、電子機器、海洋、オフショアなどのさまざまな産業用途で広く使用されている有望な技術です。これを基に、江蘇省理工大学の劉振光教授のチームは、高マンガン鋼の加工硬化特性を活用し、アーク積層造形技術を使用して、Cr添加ありとなしの高マンガン鋼コーティングを製造しました。高マンガン鋼コーティングの微細構造および相構造と摩耗性能との相関関係が明らかになり、Cr添加が微細構造および摩耗挙動に及ぼす影響が理解されました。関連する研究成果は、トップクラスのトライボロジージャーナル「Wear」に掲載されました。


関連リンク: https://doi.org/10.1016/j.wear.2024.205242

この研究では、ワイヤアーク積層造形法 (WAAM) を使用して、炭素鋼 (Q235) の表面を 2 層のコーティングでコーティングしました。合金元素MnとCrの含有量に応じて、高マンガン(HiMn)コーティングと高マンガン中クロム(HiMnMeCr)コーティングと呼ばれます。亀裂の発生を抑えるため、炭素鋼を300℃で30分間予熱した。主な製造パラメータは、電流 300 A、電圧 30 V、コーティング速度 10.7 m/分、保護ガス流量 (20% CO2+80% Ar) 10 L/分です。以前の実験に基づいて、製造パラメータが選択され、最適化されました。調製されたコーティングは、厚さ約 4 mm の 2 つの層に分割されました。摩耗試験片のサイズは20mm×20mm×4mmです。各摩耗試験の速度は50 mm/s、周波数は5 Hz、トラック長さは5 mm、摩耗試験時間は60分でした。ガイドシューの厚さの損失をシミュレートするためにテストパラメータが選択されました。摩耗試験では 3 つの荷重力 (50、100、120 N) が使用されました。厳しい実際の状況をシミュレートするために荷重力が選択され、強大な塑性変形下でのひずみ誘起マルテンサイト変態と加工硬化効果が調査されました。実験結果によると、Cr の添加により、アーク添加剤で製造された HiMn コーティングの微細構造が二相オーステナイト + マルテンサイトから単一オーステナイトに変化することが示されています。 Cr を添加すると、摩耗プロセスの慣らし期間が長くなり、オーステナイトの激しい塑性変形により、アーク積層造形された HiMnMeCr コーティングの耐摩耗性が低下します。 50 N および 100 N の負荷下では、HiMn コーティングの主な摩耗メカニズムは、複合研磨摩耗モードと接着摩耗モードです。しかし、120 N の荷重下では、テストしたすべての荷重において、HiMnMeCr コーティングの主な摩耗メカニズムは研磨摩耗でした。

メインチャート

図 1. WAAM プロセスの概略図と作製したコーティングの微細構造特性。図 2. OM、SEM、EDS を使用した作製したコーティングの微細構造形態: (a) HiMn (OM)、(d) HiMnMeCr (OM)、(b) HiMn (SEM)、(e) HiMnMeCr (SEM)、(c) HiMn (EDS)、(f) HiMnMeCr (EDS)
図3. 調製したコーティングの摩耗率。 x軸の数字は荷重力の値を示しています。図4。調製されたコーティングの摩耗痕の深さ分布:(a)HiMn-50 N、(b)HiMn-100 N、(c)HiMn-120 N、(d)HiMnMeCr-50 N、(e)HiMnMeCr-100 N、および(f)HiMnMeCr-120 N
図 5. 異なる荷重力下での調製されたコーティングの摩擦係数: (a) HiMn コーティング、(b) HiMnMeCr コーティング図 6. 摩耗跡の摩耗面深さ方向に沿った調製されたコーティングの硬度変化: (a) HiMn コーティング、(b) HiMnMeCr コーティング図 7. 摩耗跡下での調製されたコーティングの断面金属組織画像: (a) HiMn-50N (b) HiMn-100N (c) HiMn-120N (d) HiMnMeCr-50N (e) HiMnMeCr-100N、(f) HiMnMeCr-120 N
図8. 摩耗痕跡の走査型電子顕微鏡画像: (a) HiMn-50 N、(b) HiMn-100 N、(c) HiMn-120 N、(d) HiMnMeCr-50 N、(e) HiMnMeCr-100 N、(f) HiMnMeCr-120 N
図9. 摩耗したトラック表面のEDS。 (a) HiMn-50 N、(b) HiMn-100 N、(c) HiMn-120 N、(d) HiMnMeCr-50 N、(e) HiMnMeCr-100 N、(f) HiMnMeCr-120 N
図10.コーティング摩耗メカニズムの模式図
結論 本研究では、アーク積層造形技術を使用して 2 種類の高マンガン鋼を製造し、二酸化ジルコニウムを対向材として使用してクロム添加が微細構造形態と滑り摩耗に対する耐性に果たす役割と、OM、SEM、EDS、硬度試験による腐食を明らかにしました。新たな調査結果は次のとおりです。

HiMnコーティングの微細構造は、マルテンサイトとオーステナイトで構成されています。しかし、HiMnMeCr コーティングの 1 つにはオーステナイトが含まれていました。
HiMnコーティングの摩耗率はHiMnMeCrコーティングよりも低くなります。試験期間中、HiMn コーティングの摩耗プロセスには、慣らし期間と準定常状態期間が含まれます。ただし、HiMnMeCr コーティングには慣らし期間のみが含まれます。 2 つのコーティングの摩耗プロセスの違いは、激しい塑性変形によって引き起こされる加工硬化効果によるものです。
HiMn コーティングの主な摩耗メカニズムは、研磨摩耗と凝着摩耗の複合モードから単一の凝着摩耗に変化します。 HiMnMeCrコーティングでは凝着摩耗のみが見られました。

メタルアーク

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