Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Poleg tega, da zagotovimo stalno podporo, spletno mesto prikažemo brez slogov in JavaScripta.
Drsniki, ki prikazujejo tri članke na diapozitiv.Uporabite gumba za nazaj in naprej, da se premikate po diapozitivih, ali pa gumbe za krmiljenje diapozitivov na koncu, da se premikate po vsakem diapozitivu.

ASTM A240 304 316 Srednje debela plošča iz nerjavečega jekla se lahko razreže in prilagodi Kitajska tovarniška cena

Razred materiala: 201/304/304l/316/316l/321/309s/310s/410/420/430/904l/2205/2507
Tip: feritni, avstenit, martenzit, dupleks
Tehnologija: hladno valjano in vroče valjano
Certifikati: ISO9001, CE, SGS vsako leto
Storitev: testiranje tretje osebe
Dobava: v 10-15 dneh ali glede na količino

Nerjaveče jeklo je železova zlitina z najmanjšo vsebnostjo kroma 10,5 odstotka.Vsebnost kroma proizvaja tanek film kromovega oksida na površini jekla, ki se imenuje pasivacijska plast.Ta plast preprečuje nastanek korozije na površini jekla;večja kot je količina kroma v jeklu, večja je odpornost proti koroziji.

Jeklo vsebuje tudi različne količine drugih elementov, kot so ogljik, silicij in mangan.Za povečanje odpornosti proti koroziji (nikelj) in oblikovanja (molibden) je mogoče dodati druge elemente.

Obnašanje visokoogljičnega martenzitnega nerjavnega jekla (HCMSS), ki vsebuje približno 22,5 vol.% karbidov z visoko vsebnostjo kroma (Cr) in vanadija (V), fiksirali s taljenjem z elektronskim žarkom (EBM).Mikrostruktura je sestavljena iz martenzitne in preostale avstenitne faze, submikronski visoki V in mikronski visoki Cr karbidi so enakomerno porazdeljeni, trdota pa je relativno visoka.CoF se zmanjša za približno 14,1 % z naraščajočo obremenitvijo v stabilnem stanju zaradi prenosa materiala z obrabljene tirnice na nasprotno telo.V primerjavi z martenzitnimi orodnimi jekli, obdelanimi na enak način, je stopnja obrabe HCMSS skoraj enaka pri nizkih obremenitvah.Prevladujoč mehanizem obrabe je odstranitev jeklene matrice z abrazijo, ki ji sledi oksidacija obrabne steze, medtem ko se trokomponentna abrazivna obraba pojavi z naraščajočo obremenitvijo.Območja plastične deformacije pod obrabno brazgotino, ugotovljena s preslikavo trdote v preseku.Posebni pojavi, ki se pojavijo, ko se pogoji obrabe povečujejo, so opisani kot pokanje karbida, iztrganje z visoko vsebnostjo vanadijevega karbida in razpokanje v kalupu.Ta raziskava osvetljuje značilnosti obrabe aditivnega izdelave HCMSS, kar bi lahko utrlo pot za proizvodnjo komponent EBM za obrabne aplikacije, od gredi do kalupov za brizganje plastike.
Nerjaveče jeklo (SS) je vsestranska družina jekel, ki se zaradi svoje visoke korozijske odpornosti in ustreznih mehanskih lastnosti pogosto uporablja v vesoljski, avtomobilski, živilski in mnogih drugih aplikacijah1,2,3.Njihova visoka korozijska odpornost je posledica visoke vsebnosti kroma (več kot 11,5 mas. %) v HC, ki prispeva k tvorbi oksidnega filma z visoko vsebnostjo kroma na površini1.Vendar pa ima večina vrst nerjavnega jekla nizko vsebnost ogljika in ima zato omejeno trdoto in odpornost proti obrabi, kar ima za posledico krajšo življenjsko dobo v napravah, povezanih z obrabo, kot so komponente letalskega pristajanja4.Običajno imajo nizko trdoto (v območju od 180 do 450 HV), le nekatera toplotno obdelana martenzitna nerjavna jekla imajo visoko trdoto (do 700 HV) in visoko vsebnost ogljika (do 1,2 mas.%), kar lahko prispeva k nastanek martenzita.1. Skratka, visoka vsebnost ogljika znižuje temperaturo martenzitne transformacije, kar omogoča tvorbo popolnoma martenzitne mikrostrukture in pridobitev mikrostrukture, odporne proti obrabi, pri visokih stopnjah hlajenja.Trde faze (npr. karbidi) se lahko dodajo jekleni matrici za nadaljnje izboljšanje odpornosti proti obrabi matrice.
Uvedba aditivne proizvodnje (AM) lahko proizvede nove materiale z želeno sestavo, mikrostrukturnimi lastnostmi in vrhunskimi mehanskimi lastnostmi5,6.Na primer, taljenje prahu (PBF), eden najbolj komercializiranih postopkov aditivnega varjenja, vključuje nanašanje predhodno legiranih praškov za oblikovanje tesno oblikovanih delov s taljenjem praškov z uporabo toplotnih virov, kot so laserji ali elektronski žarki7.Več študij je pokazalo, da lahko aditivno obdelani deli iz nerjavečega jekla prekašajo tradicionalno izdelane dele.Na primer, pokazalo se je, da imajo avstenitna nerjavna jekla, obdelana z aditivi, boljše mehanske lastnosti zaradi svoje bolj fine mikrostrukture (tj. Hall-Petch razmerja)3,8,9.Toplotna obdelava feritnega nerjavnega jekla, obdelanega z AM, proizvaja dodatne oborine, ki zagotavljajo mehanske lastnosti, podobne njihovim običajnim primerkom3,10.Sprejeto dvofazno nerjavno jeklo z visoko trdnostjo in trdoto, obdelano z aditivno obdelavo, kjer so izboljšane mehanske lastnosti posledica s kromom bogatih intermetalnih faz v mikrostrukturi11.Poleg tega je mogoče doseči izboljšane mehanske lastnosti aditivno utrjenih martenzitnih in PH nerjavnih jekel z nadzorom ohranjenega avstenita v mikrostrukturi in optimizacijo parametrov strojne in toplotne obdelave 3,12,13,14.
Do danes so bile tribološke lastnosti AM avstenitnih nerjavnih jekel deležne več pozornosti kot druga nerjavna jekla.Tribološko obnašanje laserskega taljenja v sloju prahu (L-PBF), obdelanega s 316L, je bilo proučeno v odvisnosti od parametrov obdelave AM.Dokazano je bilo, da zmanjšanje poroznosti z zmanjšanjem hitrosti skeniranja ali povečanjem moči laserja lahko izboljša odpornost proti obrabi15,16.Li et al.17 so testirali suho drsno obrabo pod različnimi parametri (obremenitev, frekvenca in temperatura) in pokazali, da je obraba pri sobni temperaturi glavni mehanizem obrabe, medtem ko povečanje hitrosti drsenja in temperature spodbuja oksidacijo.Nastala oksidna plast zagotavlja delovanje ležaja, trenje se z naraščanjem temperature zmanjšuje, stopnja obrabe pa se povečuje pri višjih temperaturah.V drugih študijah je dodatek delcev TiC18, TiB219 in SiC20 matrici 316L, obdelani z L-PBF, izboljšal odpornost proti obrabi z oblikovanjem gostega tornega sloja, utrjenega z delom, s povečanjem volumskega deleža trdih delcev.Zaščitno oksidno plast so opazili tudi v jeklu PH, obdelanem z L-PBF12, in dupleksnem jeklu SS11, kar kaže, da lahko omejitev zaostalega avstenita z naknadno toplotno obdelavo12 izboljša odpornost proti obrabi.Kot je povzeto tukaj, je literatura osredotočena predvsem na tribološko učinkovitost serije 316L SS, medtem ko je malo podatkov o tribološki učinkovitosti serije martenzitnih aditivno izdelanih nerjavnih jekel z veliko višjo vsebnostjo ogljika.
Taljenje z elektronskim žarkom (EBM) je tehnika, podobna L-PBF, ki lahko tvori mikrostrukture z ognjevzdržnimi karbidi, kot so karbidi z visoko vsebnostjo vanadija in kroma, zaradi svoje sposobnosti doseganja višjih temperatur in hitrosti skeniranja 21, 22. Obstoječa literatura o obdelavi nerjavnega jekla z EBM jeklo se osredotoča predvsem na določanje optimalnih parametrov obdelave ELM za pridobitev mikrostrukture brez razpok in por ter izboljšanje mehanskih lastnosti23, 24, 25, 26, medtem ko dela na triboloških lastnostih nerjavnega jekla, obdelanega z EBM.Doslej so obrabni mehanizem visokoogljičnega martenzitnega nerjavnega jekla, obdelanega z ELR, preučevali v omejenih pogojih in poročali so o hudih plastičnih deformacijah v abrazivnih (preskus s smirkovim papirjem), suhih pogojih in pogojih blatne erozije27.
Ta študija je preučevala odpornost proti obrabi in torne lastnosti visokoogljičnega martenzitnega nerjavnega jekla, obdelanega z ELR, v pogojih suhega drsenja, opisanih spodaj.Najprej so bile mikrostrukturne značilnosti označene z uporabo vrstične elektronske mikroskopije (SEM), energijsko disperzivne rentgenske spektroskopije (EDX), rentgenske difrakcije in analize slike.Podatki, pridobljeni s temi metodami, se nato uporabijo kot osnova za opazovanje tribološkega obnašanja s suhimi izmeničnimi preskusi pod različnimi obremenitvami, na koncu pa se pregleda morfologija obrabljene površine s pomočjo SEM-EDX in laserskih profilometrov.Stopnja obrabe je bila kvantificirana in primerjana s podobno obdelanimi martenzitnimi orodnimi jekli.To je bilo storjeno, da bi ustvarili osnovo za primerjavo tega sistema SS z bolj pogosto uporabljenimi obrabnimi sistemi z isto vrsto obdelave.Nazadnje je prikazan zemljevid prečnega prereza obrabne poti z uporabo algoritma za preslikavo trdote, ki razkrije plastično deformacijo, do katere pride med stikom.Opozoriti je treba, da so bili tribološki testi za to študijo izvedeni za boljše razumevanje triboloških lastnosti tega novega materiala in ne za simulacijo specifične uporabe.Ta študija prispeva k boljšemu razumevanju triboloških lastnosti novega aditivno proizvedenega martenzitnega nerjavnega jekla za obrabne aplikacije, ki zahtevajo delovanje v težkih okoljih.
Vzorce visokoogljičnega martenzitnega nerjavečega jekla (HCMSS), obdelanega z ELR pod blagovno znamko Vibenite® 350, je razvil in dobavil VBN Components AB, Švedska.Nominalna kemična sestava vzorca: 1,9 C, 20,0 Cr, 1,0 Mo, 4,0 V, 73,1 Fe (mas. %).Najprej so bili iz dobljenih pravokotnih vzorcev (42 mm × 22 mm × 7 mm) izdelani suhi drsni vzorci (40 mm × 20 mm × 5 mm) brez kakršne koli posttermične obdelave z uporabo strojne obdelave z električnim praznjenjem (EDM).Nato smo vzorce zaporedoma zbrusili s SiC brusnim papirjem z velikostjo zrn od 240 do 2400 R, da smo dobili površinsko hrapavost (Ra) približno 0,15 μm.Poleg tega vzorci z EBM obdelanega visokoogljičnega martenzitnega orodnega jekla (HCMTS) z nominalno kemijsko sestavo 1,5 C, 4,0 Cr, 2,5 Mo, 2,5 W, 4,0 V, 85,5 Fe (mas. .%) (komercialno znano kot Vibenite® 150) Prav tako pripravljen na enak način.HCMTS vsebuje 8 % karbidov glede na prostornino in se uporablja samo za primerjavo podatkov o stopnji obrabe HCMSS.
Mikrostrukturna karakterizacija HCMSS je bila izvedena z uporabo SEM (FEI Quanta 250, ZDA), opremljenega z detektorjem XMax80 z energijsko disperzivnim rentgenskim žarkom (EDX) podjetja Oxford Instruments.Tri naključne fotomikrografije, ki so vsebovale 3500 µm2, so bile posnete v načinu nazaj sipanih elektronov (BSE) in nato analizirane z analizo slike (ImageJ®)28 za določitev deleža površine (tj. volumskega deleža), velikosti in oblike.Zaradi opažene značilne morfologije je bil delež površine enak volumskemu deležu.Poleg tega se faktor oblike karbidov izračuna z uporabo enačbe faktorja oblike (Shfa):
Tukaj je Ai površina karbida (µm2) in Pi je obseg karbida (µm)29.Za identifikacijo faz je bila izvedena rentgenska difrakcija prahu (XRD) z uporabo rentgenskega difraktometra (Bruker D8 Discover z detektorjem trakov LynxEye 1D) s sevanjem Co-Kα (λ = 1,79026 Å).Skenirajte vzorec v območju 2θ od 35° do 130° z velikostjo koraka 0,02° in časom koraka 2 sekundi.Podatki XRD so bili analizirani s programsko opremo Diffract.EVA, ki je leta 2021 posodobila kristalografsko bazo podatkov. Poleg tega je bil za določanje mikrotrdote uporabljen merilnik trdote po Vickersu (Struers Durascan 80, Avstrija).V skladu s standardom ASTM E384-17 30 je bilo narejenih 30 odtisov na metalografsko pripravljenih vzorcih v korakih po 0,35 mm 10 s pri 5 kgf.Avtorji so predhodno opisali mikrostrukturne značilnosti HCMTS31.
Tribometer s kroglično ploščo (Bruker Universal Mechanical Tester Tribolab, ZDA) je bil uporabljen za izvedbo preskusov suhe izmenične obrabe, katerega konfiguracija je podrobno opisana drugje31.Testni parametri so naslednji: po standardu 32 ASTM G133-05, obremenitev 3 N, frekvenca 1 Hz, hod 3 mm, trajanje 1 ura.Kot protiuteži so bile uporabljene kroglice iz aluminijevega oksida (Al2O3, razred točnosti 28/ISO 3290) s premerom 10 mm z makrotrdoto okoli 1500 HV in površinsko hrapavostjo (Ra) okoli 0,05 µm, proizvajalca Redhill Precision, Češka. .Uravnoteženje je bilo izbrano, da bi preprečili učinke oksidacije, ki lahko nastanejo zaradi uravnoteženja, in da bi bolje razumeli mehanizme obrabe vzorcev v hudih pogojih obrabe.Upoštevati je treba, da so preskusni parametri enaki kot v Ref.8, da bi lahko primerjali podatke o stopnji obrabe z obstoječimi študijami.Poleg tega je bila izvedena serija recipročnih testov z obremenitvijo 10 N za preverjanje tribološke učinkovitosti pri višjih obremenitvah, medtem ko so ostali testni parametri ostali nespremenjeni.Začetni kontaktni tlaki po Hertzu so 7,7 MPa in 11,5 MPa pri 3 N oziroma 10 N.Pri preizkusu obrabe smo zabeležili silo trenja pri frekvenci 45 Hz in izračunali povprečni koeficient trenja (CoF).Za vsako obremenitev so bile opravljene tri meritve v okoljskih pogojih.
Pot obrabe je bila preučena z zgoraj opisanim SEM, analiza EMF pa je bila izvedena s programsko opremo za analizo obrabne površine Aztec Acquisition.Obrabljeno površino seznanjene kocke smo pregledali z optičnim mikroskopom (Keyence VHX-5000, Japonska).Brezkontaktni laserski profiler (NanoFocus µScan, Nemčija) je skeniral znak obrabe z navpično ločljivostjo ±0,1 µm vzdolž osi z in 5 µm vzdolž osi x in y.Zemljevid profila obrabne površine je bil ustvarjen v Matlab® z uporabo koordinat x, y, z, pridobljenih z meritvami profila.Za izračun izgube volumna obrabe na obrabni poti se uporabi več navpičnih profilov poti obrabe, pridobljenih iz zemljevida profila površine.Izguba prostornine je bila izračunana kot zmnožek povprečne površine prečnega prereza profila žice in dolžine obrabne sledi, dodatne podrobnosti te metode pa so avtorji že opisali33.Od tu se specifična stopnja obrabe (k) izračuna iz naslednje formule:
Tukaj je V izguba prostornine zaradi obrabe (mm3), W je uporabljena obremenitev (N), L je drsna razdalja (mm) in k je specifična stopnja obrabe (mm3/Nm)34.Podatki o trenju in zemljevidi površinskih profilov za HCMTS so vključeni v dodatni material (dodatna slika S1 in slika S2) za primerjavo stopenj obrabe HCMSS.
V tej študiji je bila uporabljena prečna karta trdote obrabne poti za prikaz obnašanja plastične deformacije (tj. delovno utrjevanje zaradi kontaktnega tlaka) obrabnega območja.Polirane vzorce smo izrezali z rezalno ploščo iz aluminijevega oksida na rezalnem stroju (Struers Accutom-5, Avstrija) in polirali s SiC brusnim papirjem stopnje od 240 do 4000 P po debelini vzorcev.Merjenje mikrotrdote pri 0,5 kgf 10 s in razdalji 0,1 mm v skladu z ASTM E348-17.Odtisi so bili postavljeni na pravokotno mrežo 1,26 × 0,3 mm2 približno 60 µm pod površino (slika 1), nato pa je bila upodobljena karta trdote z uporabo kode Matlab® po meri, opisane drugje35.Poleg tega smo z uporabo SEM pregledali mikrostrukturo preseka obrabne cone.
Shema oznake obrabe, ki prikazuje lokacijo prečnega prereza (a), in optična mikrofotografija karte trdote, ki prikazuje oznako, prepoznano v prerezu (b).
Mikrostruktura HCMSS, obdelanega z ELP, je sestavljena iz homogene karbidne mreže, obdane z matriko (sl. 2a, b).Analiza EDX je pokazala, da so sivi in ​​temni karbidi karbidi, bogati s kromom oziroma vanadijem (tabela 1).Izračunano iz analize slike, je volumski delež karbidov ocenjen na ~22,5 % (~18,2 % karbidov z visoko vsebnostjo kroma in ~4,3 % karbidov z visoko vsebnostjo vanadija).Povprečne velikosti zrn s standardnimi odstopanji so 0,64 ± 0,2 µm in 1,84 ± 0,4 µm za karbide, bogate z V in Cr (sl. 2c, d).Karbidi z visokim V so bolj okrogli s faktorjem oblike (±SD) približno 0,88±0,03, ker vrednosti faktorja oblike blizu 1 ustrezajo okroglim karbidom.Nasprotno pa karbidi z visoko vsebnostjo kroma niso popolnoma okrogli, s faktorjem oblike približno 0,56 ± 0,01, kar je lahko posledica aglomeracije.Difrakcijski vrhovi martenzita (α, bcc) in zadržanega avstenita (γ', fcc) so bili zaznani na rentgenskem vzorcu HCMSS, kot je prikazano na sliki 2e.Poleg tega rentgenski vzorec kaže prisotnost sekundarnih karbidov.Karbidi z visoko vsebnostjo kroma so identificirani kot karbidi tipa M3C2 in M23C6.Glede na literaturne podatke so bili 36,37,38 uklonski vrhovi karbidov VC zabeleženi pri ≈43° in 63°, kar kaže, da so vrhovi VC prikriti z vrhovi M23C6 karbidov, bogatih s kromom (slika 2e).
Mikrostruktura visokoogljičnega martenzitnega nerjavnega jekla, obdelanega z EBL (a) pri majhni povečavi in ​​(b) pri veliki povečavi, ki prikazuje karbide, bogate s kromom in vanadijem, ter matriko iz nerjavnega jekla (način povratnega sipanja elektronov).Palični grafikoni, ki prikazujejo porazdelitev velikosti zrn karbidov, bogatih s kromom (c) in vanadijem (d).Rentgenski vzorec kaže prisotnost martenzita, zadržanega avstenita in karbidov v mikrostrukturi (d).
Povprečna mikrotrdota je 625,7 + 7,5 HV5, kar kaže relativno visoko trdoto v primerjavi s konvencionalno obdelanim martenzitnim nerjavnim jeklom (450 HV)1 brez toplotne obdelave.Poroča se, da je nanoindentacijska trdota karbidov z visokim V in karbidov z visokim Cr med 12 in 32,5 GPa39 oziroma 13–22 GPa40.Tako je visoka trdota HCMSS, obdelanega z ELP, posledica visoke vsebnosti ogljika, ki spodbuja nastanek karbidne mreže.Tako HSMSS, obdelan z ELP, kaže dobre mikrostrukturne lastnosti in trdoto brez dodatne posttermične obdelave.
Krivulje povprečnega koeficienta trenja (CoF) za vzorce pri 3 N in 10 N so predstavljene na sliki 3, območje minimalnih in največjih vrednosti trenja je označeno s prosojnim senčenjem.Vsaka krivulja prikazuje fazo zagona in fazo stabilnega stanja.Faza utekanja se konča pri 1,2 m s CoF (±SD) 0,41 ± 0,24,3 N in pri 3,7 m s CoF 0,71 ± 0,16,10 N, preden vstopi v fazno ustaljeno stanje, ko se trenje ustavi.se ne spremeni hitro.Zaradi majhne kontaktne površine in grobe začetne plastične deformacije se je sila trenja hitro povečala med fazo utekanja pri 3 N in 10 N, kjer je pri 10 N prišlo do večje sile trenja in daljše drsne razdalje, kar je lahko posledica na dejstvo, da je v primerjavi s 3 N površinska poškodba večja.Za 3 N in 10 N so vrednosti CoF v stacionarni fazi 0,78 ± 0,05 oziroma 0,67 ± 0,01.CoF je praktično stabilen pri 10 N in se postopoma povečuje pri 3 N. V omejeni literaturi je CoF nerjavečega jekla, obdelanega z L-PBF, v primerjavi s keramičnimi reakcijskimi telesi pri nizkih obremenitvah v razponu od 0,5 do 0,728, 20, 42, kar je v dobro ujemanje z izmerjenimi vrednostmi CoF v tej študiji.Zmanjšanje CoF z naraščajočo obremenitvijo v stanju dinamičnega ravnovesja (približno 14,1 %) je mogoče pripisati degradaciji površine, ki se pojavi na vmesniku med obrabljeno površino in nasprotno stranjo, o čemer bomo podrobneje razpravljali v naslednjem razdelku z analizo površine površine. obrabljeni vzorci.
Koeficienti trenja vzorcev VSMSS, obdelanih z ELP, na drsnih poteh pri 3 N in 10 N, za vsako krivuljo je označena stacionarna faza.
Specifične stopnje obrabe HKMS (625,7 HV) so ocenjene na 6,56 ± 0,33 × 10–6 mm3/Nm in 9,66 ± 0,37 × 10–6 mm3/Nm pri 3 N oziroma 10 N (slika 4).Tako stopnja obrabe narašča z naraščajočo obremenitvijo, kar se dobro ujema z obstoječimi študijami o avstenitu, obdelanem z L-PBF in PH SS17,43.Pri enakih triboloških pogojih je stopnja obrabe pri 3 N približno ena petina tiste za avstenitno nerjavno jeklo, obdelano z L-PBF (k = 3,50 ± 0,3 × 10–5 mm3/Nm, 229 HV), kot v prejšnjem primeru .8. Poleg tega je bila stopnja obrabe HCMSS pri 3 N znatno nižja od konvencionalno strojno obdelanih avstenitnih nerjavnih jekel in zlasti višja od visoko izotropno stisnjenih (k = 4,20 ± 0,3 × 10–5 mm3)./Nm, 176 HV) in lito (k = 4,70 ± 0,3 × 10–5 mm3/Nm, 156 HV) strojno obdelano avstenitno nerjavno jeklo, 8 oz.V primerjavi s temi študijami v literaturi je izboljšana odpornost proti obrabi HCMSS pripisana visoki vsebnosti ogljika in oblikovani karbidni mreži, kar ima za posledico višjo trdoto kot aditivno obdelana avstenitna nerjavna jekla, ki so običajno obdelana.Za nadaljnjo študijo stopnje obrabe vzorcev HCMSS je bil za primerjavo pod podobnimi pogoji (3 N in 10 N) testiran podobno obdelan vzorec iz visokoogljičnega martenzitnega orodnega jekla (HCMTS) (s trdoto 790 HV);Dodatno gradivo je zemljevid površinskega profila HCMTS (dodatna slika S2).Stopnja obrabe HCMSS (k = 6,56 ± 0,34 × 10–6 mm3/Nm) je skoraj enaka kot pri HCMTS pri 3 N (k = 6,65 ± 0,68 × 10–6 mm3/Nm), kar kaže na odlično odpornost proti obrabi. .Te značilnosti so v glavnem pripisane mikrostrukturnim značilnostim HCMSS (tj. visoki vsebnosti karbida, velikosti, obliki in porazdelitvi delcev karbida v matrici, kot je opisano v razdelku 3.1).Kot smo že poročali31, 44, vsebnost karbida vpliva na širino in globino obrabne brazgotine in na mehanizem mikroabrazivne obrabe.Vendar je vsebnost karbida nezadostna za zaščito matrice pri 10 N, kar povzroči večjo obrabo.V naslednjem razdelku sta morfologija in topografija obrabne površine uporabljeni za razlago osnovnih mehanizmov obrabe in deformacije, ki vplivajo na stopnjo obrabe HCMSS.Pri 10 N je stopnja obrabe VCMSS (k = 9,66 ± 0,37 × 10–6 mm3/Nm) višja kot pri VKMTS (k = 5,45 ± 0,69 × 10–6 mm3/Nm).Nasprotno, te stopnje obrabe so še vedno precej visoke: pri podobnih preskusnih pogojih je stopnja obrabe premazov na osnovi kroma in stelita nižja kot pri HCMSS45,46.Končno je bila zaradi visoke trdote aluminijevega oksida (1500 HV) stopnja obrabe zanemarljiva in odkriti so bili znaki prenosa materiala iz vzorca na aluminijeve kroglice.
Specifična obraba pri ELR obdelavi visokoogljičnega martenzitnega nerjavnega jekla (HMCSS), ELR obdelavi visokoogljičnega martenzitnega orodnega jekla (HCMTS) in L-PBF, obdelavi pri litju in visoko izotropnem stiskanju (HIP) avstenitnega nerjavnega jekla (316LSS) pri različnih aplikacijah hitrosti so naložene.Raztreseni grafikon prikazuje standardno odstopanje meritev.Podatki za avstenitna nerjavna jekla so vzeti iz 8.
Medtem ko lahko trde navaritve, kot sta krom in stelit, zagotovijo boljšo odpornost proti obrabi kot aditivno obdelani sistemi zlitin, lahko aditivna strojna obdelava (1) izboljša mikrostrukturo, zlasti za materiale z različnimi gostotami.operacije na končnem delu;in (3) ustvarjanje novih površinskih topologij, kot so integrirani fluidno dinamični ležaji.Poleg tega AM ponuja prilagodljivost geometrijske zasnove.Ta študija je še posebej nova in pomembna, saj je ključnega pomena pojasniti značilnosti obrabe teh na novo razvitih kovinskih zlitin z EBM, za katere je trenutna literatura zelo omejena.
Morfologija obrabljene površine in morfologija obrabljenih vzorcev pri 3 N sta prikazani na sl.5, kjer je glavni mehanizem obrabe abrazija, ki ji sledi oksidacija.Najprej se jekleni substrat plastično deformira in nato odstrani, da se oblikujejo utori 1 do 3 µm globoko, kot je prikazano v profilu površine (slika 5a).Zaradi toplote zaradi trenja, ki nastane zaradi neprekinjenega drsenja, odstranjeni material ostane na meji tribološkega sistema in tvori tribološko plast, sestavljeno iz majhnih otokov z visoko vsebnostjo železovega oksida, ki obdajajo karbide z visoko vsebnostjo kroma in vanadija (slika 5b in tabela 2).), kot so poročali tudi za avstenitno nerjavno jeklo, obdelano z L-PBF15,17.Na sl.5c prikazuje intenzivno oksidacijo, ki se pojavlja v središču obrabne brazgotine.Tako je tvorba torne plasti olajšana z uničenjem torne plasti (tj. oksidne plasti) (slika 5f) ali pa se odstranitev materiala pojavi na šibkih področjih znotraj mikrostrukture, s čimer se pospeši odstranitev materiala.V obeh primerih uničenje torne plasti povzroči nastanek obrabnih produktov na vmesniku, kar je lahko razlog za težnjo po povečanju CoF v ustaljenem stanju 3N (slika 3).Poleg tega obstajajo znaki trodelne obrabe, ki jo povzročajo oksidi in ohlapni obrabni delci na obrabni progi, kar na koncu povzroči nastanek mikro prask na substratu (sl. 5b, e)9,12,47.
Površinski profil (a) in fotomikrografije (b–f) morfologije obrabne površine visokoogljičnega martenzitnega nerjavnega jekla, obdelanega z ELP pri 3 N, presek sledi obrabe v načinu BSE (d) in optična mikroskopija obrabe površino pri 3 N (g) kroglicah aluminijevega oksida.
Na jekleni podlagi so se oblikovali drsni pasovi, ki kažejo na plastično deformacijo zaradi obrabe (slika 5e).Podobni rezultati so bili pridobljeni tudi pri študiji obrabnega obnašanja avstenitnega jekla SS47, obdelanega z L-PBF.Preusmeritev karbidov, bogatih z vanadijem, kaže tudi na plastično deformacijo jeklene matrice med drsenjem (slika 5e).Mikrografi prečnega prereza sledi obrabe kažejo prisotnost majhnih okroglih jam, obdanih z mikrorazpokami (slika 5d), ki so lahko posledica prekomerne plastične deformacije blizu površine.Prenos materiala na krogle aluminijevega oksida je bil omejen, medtem ko so krogle ostale nedotaknjene (slika 5g).
Širina in globina obrabe vzorcev sta se povečevali z naraščajočo obremenitvijo (pri 10 N), kot je prikazano na zemljevidu topografije površine (slika 6a).Abrazija in oksidacija sta še vedno prevladujoča obrabna mehanizma, povečanje števila mikro prask na obrabni progi pa kaže, da pride do trodelne obrabe tudi pri 10 N (slika 6b).Analiza EDX je pokazala nastanek z železom bogatih oksidnih otokov.Vrhovi Al v spektrih so potrdili, da je do prenosa snovi iz nasprotne stranke v vzorec prišlo pri 10 N (slika 6c in tabela 3), medtem ko pri 3 N ni bil opažen (tabela 2).Obrabo treh teles povzročajo obrabni delci iz oksidnih otokov in analogov, kjer je podrobna analiza EDX razkrila prenos materiala iz analogov (dodatna slika S3 in tabela S1).Razvoj oksidnih otokov je povezan z globokimi jamami, kar je opaziti tudi v 3N (slika 5).Do razpok in fragmentacije karbidov prihaja predvsem pri karbidih, bogatih z 10 N Cr (sl. 6e, f).Poleg tega se karbidi z visokim V luščijo in obrabijo okoliško matriko, kar posledično povzroči trodelno obrabo.Jamica, po velikosti in obliki podobna karbidu z visokim V (označeno z rdečim krogom), se je pojavila tudi v prečnem prerezu tira (slika 6d) (glej analizo velikosti in oblike karbida 3.1), kar kaže, da je visok V karbid V se lahko odlušči od matrice pri 10 N. Okrogla oblika karbidov z visokim V prispeva k vlečnemu učinku, medtem ko so aglomerirani karbidi z visokim Cr nagnjeni k pokanju (sl. 6e, f).To vedenje pri okvari kaže, da je matrika presegla svojo sposobnost, da prenese plastično deformacijo in da mikrostruktura ne zagotavlja zadostne udarne trdnosti pri 10 N. Vertikalne razpoke pod površino (slika 6d) kažejo na intenzivnost plastične deformacije, ki se pojavi med drsenjem.Ko se obremenitev poveča, pride do prenosa materiala z obrabljene steze na kroglo iz aluminijevega oksida (slika 6g), ki je lahko v stabilnem stanju pri 10 N. Glavni razlog za zmanjšanje vrednosti CoF (slika 3).
Površinski profil (a) in fotomikrografije (b–f) topografije obrabljene površine (b–f) visokoogljičnega martenzitnega nerjavnega jekla, obdelanega z EBA pri 10 N, prerez sledi obrabe v načinu BSE (d) in površina optičnega mikroskopa krogle aluminijevega oksida pri 10 N (g).
Med drsno obrabo je površina izpostavljena tlačnim in strižnim napetostim, ki jih povzročijo protitelesa, kar povzroči znatno plastično deformacijo pod obrabljeno površino34,48,49.Zato lahko pride do utrjevanja pod površino zaradi plastične deformacije, ki vpliva na mehanizme obrabe in deformacije, ki določajo obrabno obnašanje materiala.Zato je bilo v tej študiji izvedeno kartiranje trdote preseka (kot je podrobno opisano v razdelku 2.4), da se določi razvoj območja plastične deformacije (PDZ) pod obrabno potjo kot funkcija obremenitve.Ker so bili, kot je omenjeno v prejšnjih razdelkih, pod sledjo obrabe opaženi jasni znaki plastične deformacije (sl. 5d, 6d), zlasti pri 10 N.
Na sl.Slika 7 prikazuje presečne diagrame trdote sledi obrabe HCMSS, obdelane z ELP pri 3 N in 10 N. Omeniti velja, da so bile te vrednosti trdote uporabljene kot indeks za oceno učinka utrjevanja.Sprememba trdote pod oznako obrabe je od 667 do 672 HV pri 3 N (slika 7a), kar kaže, da je utrjevanje zanemarljivo.Predvidoma zaradi nizke ločljivosti karte mikrotrdote (tj. razdalje med oznakama) uporabljena metoda merjenja trdote ni mogla zaznati sprememb trdote.Nasprotno, cone PDZ z vrednostmi trdote od 677 do 686 HV z največjo globino 118 µm in dolžino 488 µm so bile opažene pri 10 N (slika 7b), kar je v korelaciji s širino obrabne sledi ( Slika 6a)).Podobni podatki o variaciji velikosti PDZ z obremenitvijo so bili najdeni v študiji obrabe na SS47, obdelanem z L-PBF.Rezultati kažejo, da prisotnost zadržanega avstenita vpliva na duktilnost aditivno izdelanih jekel 3, 12, 50, zadržani avstenit pa med plastično deformacijo prehaja v martenzit (plastični učinek fazne transformacije), kar poveča delovno utrjevanje jekla.jeklo 51. Ker je vzorec VCMSS vseboval zadržani avstenit v skladu z rentgenskim difrakcijskim vzorcem, o katerem smo govorili prej (sl. 2e), je bilo predlagano, da bi se zadržani avstenit v mikrostrukturi med stikom lahko spremenil v martenzit, s čimer bi se povečala trdota PDZ ( Slika 7b).Poleg tega nastanek zdrsa, ki se pojavi na obrabni stezi (sl. 5e, 6f), kaže tudi na plastično deformacijo, ki jo povzroči dislokacijski zdrs pod delovanjem strižne napetosti pri drsnem kontaktu.Vendar pa strižna napetost, povzročena pri 3 N, ni bila zadostna, da bi povzročila visoko gostoto dislokacij ali transformacijo zadržanega avstenita v martenzit, opaženo z uporabljeno metodo, zato je bilo utrjevanje obdelovanca opaženo le pri 10 N (slika 7b).
Diagrami trdote preseka obrabnih sledi iz visokoogljičnega martenzitnega nerjavnega jekla, izpostavljenega elektroerozijski obdelavi pri 3 N (a) in 10 N (b).
Ta študija prikazuje obrabno obnašanje in mikrostrukturne značilnosti novega visokoogljičnega martenzitnega nerjavnega jekla, obdelanega z ELR.Izvedeni so bili testi suhe obrabe pri drsenju pod različnimi obremenitvami, obrabljeni vzorci pa so bili pregledani z elektronsko mikroskopijo, laserskim profilometrom in kartami trdote prečnih prerezov obrabnih sledi.
Mikrostrukturna analiza je pokazala enakomerno porazdelitev karbidov z visoko vsebnostjo kroma (~18,2 % karbidov) in vanadija (~4,3 % karbidov) v matrici martenzita in zadržanega avstenita z relativno visoko mikrotrdoto.Prevladujoča mehanizma obrabe sta obraba in oksidacija pri nizkih obremenitvah, medtem ko obraba treh teles, ki jo povzročajo raztegnjeni karbidi z visokim V in ohlapni zrnati oksidi, prav tako prispeva k obrabi pri naraščajočih obremenitvah.Stopnja obrabe je boljša od L-PBF in običajnih strojno obdelanih avstenitnih nerjavnih jekel in celo podobna kot pri strojno obdelanih orodnih jeklih EBM pri nizkih obremenitvah.Vrednost CoF pada z naraščajočo obremenitvijo zaradi prenosa materiala na nasprotno telo.Z metodo kartiranja trdote preseka je cona plastične deformacije prikazana pod oznako obrabe.Možno prečiščevanje zrn in fazne prehode v matrici je mogoče nadalje raziskati z uporabo difrakcije povratnega sipanja elektronov, da bi bolje razumeli učinke utrjevanja.Nizka ločljivost karte mikrotrdote ne omogoča vizualizacije trdote območja obrabe pri nizkih uporabljenih obremenitvah, zato lahko nanoindentacija zagotovi spremembe trdote višje ločljivosti z isto metodo.
Ta študija prvič predstavlja celovito analizo odpornosti proti obrabi in tornih lastnosti novega visokoogljičnega martenzitnega nerjavnega jekla, obdelanega z ELR.Glede na svobodo geometrijske zasnove AM in možnost zmanjšanja korakov obdelave z AM bi lahko ta raziskava utrla pot za proizvodnjo tega novega materiala in njegovo uporabo v napravah, povezanih z obrabo, od gredi do kalupov za brizganje plastike z zapletenim hladilnim kanalom.
Bhat, BN Aerospace Materials and Applications, vol.255 (Ameriško združenje za aeronavtiko in astronavtiko, 2018).
Bajaj, P. et al.Jeklo v aditivni proizvodnji: pregled njegove mikrostrukture in lastnosti.alma mater.znanost.projekt.772, (2020).
Felli, F., Brotzu, A., Vendittozzi, C., Paolozzi, A. in Passeggio, F. Poškodba obrabne površine letalskih komponent EN 3358 iz nerjavečega jekla med drsenjem.Bratstvo.Ed.Integra Strut.23, 127–135 (2012).
Debroy, T. et al.Aditivna proizvodnja kovinskih komponent – ​​proces, struktura in zmogljivost.programiranje.alma mater.znanost.92, 112–224 (2018).
Herzog D., Sejda V., Vicisk E. in Emmelmann S. Proizvodnja kovinskih dodatkov.(2016).https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.07.019.
ASTM International.Standardna terminologija za aditivno proizvodno tehnologijo.Hitra proizvodnja.Docent.https://doi.org/10.1520/F2792-12A.2 (2013).
Bartolomeu F. et al.Mehanske in tribološke lastnosti nerjavečega jekla 316L – primerjava selektivnega laserskega taljenja, vročega stiskanja in konvencionalnega litja.Dodati k.proizvajalec.16, 81–89 (2017).
Bakhshwan, M., Myant, KW, Reddichoff, T. in Pham, MS. Prispevek mikrostrukture k aditivno izdelanim mehanizmom drsne obrabe in anizotropiji iz nerjavečega jekla 316L.alma mater.dec.196, 109076 (2020).
Bogelein T., Drypondt SN, Pandey A., Dawson K. in Tatlock GJ Mehanski odziv in mehanizmi deformacije jeklenih konstrukcij, utrjenih z disperzijo železovega oksida, pridobljeno s selektivnim laserskim taljenjem.revija.87, 201–215 (2015).
Saeidi K., Alvi S., Lofay F., Petkov VI in Akhtar, F. Mehanska trdnost višjega reda po toplotni obdelavi SLM 2507 pri sobnih in povišanih temperaturah, s pomočjo trde/duktilne sigma precipitacije.Kovina (Basel).9, (2019).
Lashgari, HR, Kong, K., Adabifiroozjaei, E. in Li, S. Mikrostruktura, reakcija po segrevanju in tribološke lastnosti 3D-tiskanega nerjavečega jekla 17-4 PH.Nošenje 456–457, (2020).
Liu, Y., Tang, M., Hu, Q., Zhang, Y. in Zhang, L. Obnašanje zgostitve, razvoj mikrostrukture in mehanske lastnosti kompozitov iz nerjavečega jekla TiC/AISI420, izdelanih s selektivnim laserskim taljenjem.alma mater.dec.187, 1–13 (2020).
Zhao X. et al.Izdelava in karakterizacija nerjavečega jekla AISI 420 z uporabo selektivnega laserskega taljenja.alma mater.proizvajalec.postopek.30, 1283–1289 (2015).
Sun Y., Moroz A. in Alrbey K. Značilnosti drsne obrabe in korozijsko obnašanje selektivnega laserskega taljenja nerjavečega jekla 316L.J. Alma mater.projekt.izvršiti.23, 518–526 (2013).
Shibata, K. et al.Trenje in obraba prašnega nerjavečega jekla pod oljnim mazanjem [J].Tribiol.interna 104, 183–190 (2016).