钢与铝摩擦堆焊时复合表面的形成

摘要

使用摩擦表面途径在中碳钢上沉积商业纯铝。铝棒用作消耗工具。正常负载和刀具旋转速度是变量。在载荷和速度的某些组合下，沉积是连续且均匀的。沉积物由嵌入含有细颗粒的Al。衬底材料和沉积材料之间的界面光滑且相对较小。讨论了在钢基板上形成复合表面的机制。

1.介绍

钢仍然是一种重要的结构材料，因为它的成本相对较低，加工性能高，利用合金设计原则，热处理等来操纵性能[1]。遗憾的是，它的耐腐蚀、抗氧化等使用性能不是很好。产生这种限制是因为在钢表面形成的氧化层是非致密层[1]。通过适当地改变钢的表面化学(表面合金化)或在表面沉积另一种金属，可以克服这一限制[2]。所沉积的金属本身可以提供有益的特性，或在适当的转换之后。在这一点上，在钢上沉积一层薄铝是非常相关的。铝层被氧化后形成致密的氧化层，保护钢基体不被氧化、腐蚀和磨损[3.那4.]。通过各种方法可以获得钢的薄层，即液体途径和固体途径。热浸渍铝是使用液体路线的主要方法，但是通过脆性金属间金属形成的形成，该路线是有残障的[5.]。化学路线如包装铝合金不涉及使用液态，但它们还涉及在长期升高的温度下处理，再次引起金属间化物质和基材的晶粒生长。在这种情况下，摩擦表面是一个有希望的路线。它可以在钢基板上产生铝层[6.，如果需要一个致密的氧化层，顶层可以进行氧化。在摩擦堆焊中，元件的表面是用摩擦工具产生的机械能来修正的[7.]。摩擦堆焊时可加入合金元素，将其与基体混合以生成合金表面。在摩擦堆焊中，刀具是消耗品，根据基体和刀具材料的相对强度以及所达到的温度，基体和刀具或仅刀具材料都将发生塑性变形。这将导致接近表面的合金化，导致表面性能的变化[8.]。在用铝的钢摩擦衬底中，用作衬底，铝是可消耗工具。如果摩擦表面参数是合适的，则可以在钢表面上获得均匀的铝沉积[6.]。铝层中会嵌入钢(铁)颗粒，在钢表面形成铁铝复合层[6.]。本文讨论了钢铝摩擦堆焊过程中这种复合层的形成。

2.材料和实验方法

2.1。材料和加工

(C = 0.35, Mn = 0.65, P = 0.03, S = 0.04)以wt.%)为底物。基板尺寸为150mm长，70mm宽，8mm厚。利用传统的平面铣床铣削钢基板，获得了控制的表面粗糙度。铣削过程中产生的树丛的深度用横断面显微镜测量，在25-32微米(um)范围内。用Veeco光学轮廓仪测量研磨表面的粗糙度。测量的粗糙度(Ra)在5.8 um到8.3 um之间。工业纯铝(99.6%纯)，可用挤压棒的形式，作为消耗品工具。挤压棒被加工成长度为100mm，直径为25mm的尺寸用于沉积。摩擦表面是用印度班加罗尔的M/s ETA技术公司制造的机器完成的。 Figure1显示摩擦表面的示意图[8.]。

使用不同的加工条件沉积Al。正常负载变化为3 kN，4 kN和5kN。这在消耗工具中发出了6.1MPa，8.1MPa和10.2MPa的应力水平。工具主轴速度变化为200 rpm和400 rpm。工具暴跌深度固定在40毫米。工具插入深度是在机器中可以降低工具的总深度。对于所有实验，工具行程速度固定为35毫米/分钟。为方便起见，样品标记为T1，T2，...，T6，它们列于表中1。所有实验都在开放大气条件下进行，持续时间为200秒。

2.2。矿床表征

使用各种参数研究沉积的质量，即沉积（粉末或不），连续性，宽度均匀性的性质。此信息也列入表中1。利用带EDS附件的扫描电子显微镜(SEM)进行了形态调查、沉积物组成和横断面显微镜观察。用x射线衍射仪(XRD)对镀层进行了相鉴别辐射。

3.结果与讨论

3.1。沉积质量

沉积的质量是根据用普通眼睛或低倍率工具(放大10倍)进行的宏观观察来决定的。沉积物要么是粉状的，斑片状的(不连续的和变宽的)，要么是连续的。在连续组内，宽度可以是均匀的，也可以是非均匀的。为了很好地覆盖表面，连续(最好有均匀宽度)的沉积是必要的。数字2显示示例T6的宏图像。履带长度约30厘米，宽度25-30毫米。从宏观图像上我们可以得出沉积是连续的并且几乎是均匀的宽度。沉积的质量与界面上的热输入以及衬底和工具之间的热分配密切相关。界面的热输入(HI)可表示为[7.] 从搅拌摩擦焊的概念推断[7.]输入功率(PI)可以写成主轴转速()及转矩(): 为了简单起见，与驱动器和传输系统相关的能量损失被忽略了。将底板-工具界面处可用的机械能划分为局部塑性变形所需的热和变形分量[10.那11.]。界面处的热输入主要通过传导主要消散。界面处的温度升高足以使铝塑料附近的铝，并且工具相对于基板的相对滑动导致塑料材料作为薄层的转移。这解释了为什么只在载荷和转速的某些组合下观察到良好的沉积（其他参数被保持丹霉素我们的实验）。可以提到只有铝侧变成塑料，而温度升高不足以制造钢塑料。

3.2。地形的细节

数字3(一个)显示了在二次电子模式下SEM观察到的低倍放大图像。值得注意的是，这种模式能更好地显示地形资料[12.]。表面铣削加工没有典型的痕迹。平面上偶尔有小山丘(以箭头标示)。反散射电子组成显微照片(BEC图像)如图所示3 (b)显示了两种类型的对比，即白色区域主要是铁和灰色区域主要是铝。必须指出，这两张显微照片(都是数字3(一个)和3 (b)）从相同的区域和相同的放大率下取出。通过比较地形信息（图4(一)）和组成信息（图4 (b)我们得出结论，在图中观察到的地形变化3(一个)不是由于存在在沉积层中存在富含铁和富含铝的区域。

3.3。横截面显微镜

数字4(一)显示沉积区域的横断面视图。沉积厚度是相当均匀的，测量超过1毫米的长度给出的厚度范围为90到106 um。界面宏观上是光滑的，没有任何剖面创建在表面铣削。在图中可以更清楚地看到这一点4 (b)。数字4 (b)基体材料与沉积材料之间的界面。界面相对光滑、小。整个界面的组分分布(图)4 (c))显示界面两边物种混合的最低水平(几乎为零)。这种说法没有考虑以颗粒形式存在的物质转移，可见的白色颗粒(铁)嵌入在沉积的铝中。数字4 (d)从图上显示一个高倍的显微照片4(一)。我们看到纳米尺度的铁粒子(图中的箭头指针)4 (b)和4 (d))内嵌铝基。粒子间的平均间距也非常小，说明它们对粒子强化有贡献[13.]。预期强的Fe颗粒会加强软铝基质。

3.4。阶段识别

数字5.显示了两个样品(T5和T6)的XRD分析结果。其他样品的XRD图谱相似。XRD图谱表明，沉积物为铁和铝。从微观结构观察和x射线衍射的结果，我们认为该沉积是铝和铁的机械混合物。没有形成其他的相(Fe-Al金属间化合物)可以通过XRD检测到。

3.5。摩擦堆焊时复合层的形成

通过XRD和SEM的研究，我们可以得出沉积是铝和铁的机械混合物。由于消耗性工具为纯铝，摩擦堆焊过程中必然形成铁颗粒并与铝混合。这导致了铝和钢的复合层的沉积。复合层的形成类似于摩擦条件下的材料传递[9.]并且可以如下所述。

在摩擦开始时，表面的两个表面都有擦伤。这些困难有不同的尺度。这意味着只有少数几个突起相互接触，形成接触对[14.]。与使用正常载荷和初始截面直径估计的平均应力相比，接触点的有效应力可能非常高。当两个表面之间发生相对滑动时，凸面会发生变形。由于材料强度较弱，铝侧的塑性变形比铁侧大得多。实际应变值将会非常高，并且它会根据凸起的形态而变化。铝虽然具有较好的韧性，但由于强度值较低，容易断裂。但作为新表面，两个铝表面有机会重新焊接。另一方面，铁是一种应变硬化材料，在粗糙接触时，它们会变硬，变脆，并在滑动过程中被剪切。即使断口表面是干净新鲜的，由于小（为界面温度，是熔点，两者都是开尔文)，它们被重新焊接的机会很小。数字6.介绍了粗糙尖端在摩擦接触处压裂的原理方法。Fe-Al界面如图所示4 (b)显示与初始grove深度(25-32 um)相比减少的grove深度(小于5 um)。这就支持了在剪切过程中硬铁表面的粗糙性被破坏的观点。在摩擦堆焊过程中，破碎的铁颗粒混入软铝层中并沉积下来。

4。结论

根据实验结果，得出以下结论:采用摩擦堆焊法可在钢表面沉积一薄层铝。沉积的铝由分散在其中的小铁颗粒组成。矿床是铝和铁的机械混合物。基材与沉积材料之间的界面光滑且较为尖锐。在堆焊过程中，利用塑性材料的剪切、混合和沉积，提出了一种形成复合层的机理。

承认

作者感谢印度苏拉特卡尔卡纳塔克邦的国立理工学院院长批准、财政援助和赞赏，以开展这项调查。

参考文献

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