18Cr2Ni4WA鋼滲碳層邊界潤滑磨損特性

2013-09-04 于燕吉林工學(xué)院材料系

　　采用18Cr2Ni4WA鋼，在氣體滲碳爐中，碳勢為1.0%，920℃的條件下進(jìn)行5h滲碳，對(duì)試樣重新加熱淬火，并通過回火、冷處理等方法改變滲層中的奧氏體量。研究了滲層中的奧氏體在摩擦磨損過程中的相變行為及相變對(duì)金屬間邊界潤滑磨損特性的影響。

　　磨損是最常見的機(jī)械失效形式之一，長期以來，開發(fā)新型的耐磨材料和采用適當(dāng)?shù)奶幚硖岣吡悴考哪p壽命，一直是材料學(xué)的重要研究內(nèi)容。磨損是極復(fù)雜的失效過程，受材料自身特性、工件的工作環(huán)境、摩擦副的匹配、相對(duì)滑動(dòng)速度、應(yīng)力的大小與作用方式和工件表面狀態(tài)等諸多方面的影響，因此給研究磨損問題帶來很大困難。摩擦是不可缺少和不可避免的事情，人們根據(jù)需要來設(shè)法增大或減小物體間的摩擦，而磨損是摩擦導(dǎo)致的必然結(jié)果。生產(chǎn)中為減小機(jī)件的磨損，保證機(jī)械正常運(yùn)行，除要改善工件的工作環(huán)境、減小摩擦系數(shù)外，還要采用適當(dāng)?shù)牟牧稀ＤΣ吝^程中由于有熱量產(chǎn)生和相互間的作用力，因此機(jī)件常受高溫和應(yīng)力的作用，這種作用對(duì)材料的磨損特性有很大影響。金屬材料的磨損特性與其顯微組織、物相種類及各相所占的比例有很大關(guān)系，尤其是那些在摩擦過程中的不穩(wěn)定相，因其在摩擦?xí)r會(huì)發(fā)生相變或其他變化，這種影響就更大。此變化如何影響材料的磨損過程及耐磨性，始終是材料學(xué)者所關(guān)注的問題。奧氏體是最常見的室溫不穩(wěn)定的、且是鋼材中常存在的物相之一，研究它在摩擦過程中的行為是有重要意義的。本文采用18Cr2Ni4WA鋼，采用二維控制臥式氣體滲碳爐，在碳勢為1.0%和920℃的條件下進(jìn)行氣體滲碳5h，對(duì)獲得樣件重新加熱淬火，并通過回火、冷處理等方法改變滲層中的奧氏體量，在不同條件下進(jìn)行滲碳層與其它鋼材之間的金屬間臨界潤滑磨損試驗(yàn)，來考察原奧氏體含量、應(yīng)力大小對(duì)材料耐磨性的影響，利用必要的檢測方法分析它在摩擦過程中的相變行為及其對(duì)材料耐磨性的影響規(guī)律。意在給證明目前頗有爭議的關(guān)于“奧氏體對(duì)耐磨性影響作用”問題提供一些試驗(yàn)依據(jù)。

1、試驗(yàn)內(nèi)容及方法

　　1.1、試樣制作

　　不同奧氏體含量試樣的制作：18Cr2Ni4WA鋼化學(xué)成分見表1。在二維控制臥式氣體滲碳爐中，碳勢為1.0%和920℃的條件下進(jìn)行氣體滲碳5h，滲層深度0.9mm，試樣為ML-10型磨料磨損試驗(yàn)機(jī)用的標(biāo)準(zhǔn)試樣，對(duì)獲得樣件重新加熱到780℃奧氏體均勻化后油淬，二次淬火的保護(hù)碳勢也為1.0%。將淬火后試樣通過回火、冷處理等方法改變滲層中的奧氏體量，工藝參數(shù)見表2。

表118Cr2Ni4WA鋼化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) w(%)

C	Cr	Ni	W	Si	Mn	S	P
0.21	1.52	3.45	1.01	0.22	0.44	0.003	0.010

表2ML-10磨損試樣淬火工藝和磨損試驗(yàn)外加載荷

工藝序號(hào)	回火及冷處理溫度／℃	磨損試驗(yàn)外加載荷／Pa
1	180	7.56×10⁴
2	180	1.323×10⁵
3	180	1.89×10⁵
4	-20	7.56×10⁴
5	-20	1.323×10⁵
6	-20	1.89×10⁵
7	-80	7.56×10⁴
8	-80	1.323×10⁵
9	-80	1.89×10⁵
10	-196	7.56×10⁴
11	-196	1.323×10⁵
12	-196	1.89×10⁵

　　注：滲碳工藝為920℃，滲碳5h，碳勢1.0%，淬火工藝為780℃，均勻奧氏體化，油淬

　　對(duì)磨金屬盤的制作：將T10鋼鍛造后制成直徑為200mm、厚為10mm的圓盤，780℃均勻奧氏體化后油淬，200℃回火1h后進(jìn)行磨削加工，表面粗糙度Ra為0.16mm，硬度為60HRC。

　　1.2、試驗(yàn)方法

　　對(duì)上述各工藝獲得的試樣采用電解剝層分析法，跟蹤檢測滲碳層的碳含量分布、硬度分布和奧氏體含量及分布。

　　采用ML-10型磨料磨損試驗(yàn)機(jī)，將磨料砂紙支撐盤換成經(jīng)上述處理的T10鋼金屬盤。進(jìn)行18Cr2Ni4WA鋼滲碳試樣滲碳層與T10金屬盤間噴油霧潤滑磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)，限定相對(duì)滑動(dòng)速度和相對(duì)滑動(dòng)距離，改變外加載荷的大小見表2，考察每一工藝的試樣滲碳層的磨損特性，同時(shí)用X射線晶體分析儀對(duì)每一次磨損表面的奧氏體量和奧氏體中的含碳量進(jìn)行檢測。奧氏體中含碳量檢測是通過檢測磨損表面奧氏體的點(diǎn)陣參數(shù)，根據(jù)點(diǎn)陣參數(shù)與碳含量之間的相互關(guān)系計(jì)算得出。磨損量用失重法表示，失重量用TG328A電光分析天平測量。

2、試驗(yàn)結(jié)果

　　滲碳層不同處理?xiàng)l件下的顯微組織見圖1。

圖1　18Cr2Ni4WA鋼滲碳層不同處理?xiàng)l件下的顯微組織×250

(a)180℃回火，針狀馬氏體+75%奧氏體

(b)-80℃冷處理，針狀馬氏體+38%奧氏體

　　電解剝層分析檢測結(jié)果：滲層中的碳含量分布見圖2。滲層中的硬度分布檢測結(jié)果見圖3。不同處理工藝下，每層中的奧氏體量及分布檢測結(jié)果見圖4。

圖2　18Cr2Ni4WA鋼滲層中的碳含量分布

圖3　經(jīng)不同工藝處理的18Cr2Ni4WA鋼滲碳層硬度分布

圖4　經(jīng)不同工藝處理的18Cr2Ni4WA鋼，電解剝層測得滲層奧氏體分布

　　磨損試驗(yàn)過程中，每次磨損后，試樣磨損表面的奧氏體量及奧氏體中含碳量的檢測結(jié)果：各種載荷下，磨損表面奧氏體量檢測結(jié)果見圖5。各種載荷下，磨損表面奧氏體中含碳量檢測結(jié)果見圖6。

圖5　18Cr2Ni4WA鋼未冷處理試樣不同載荷時(shí)磨損表面奧氏體分布

圖6　18Cr2Ni4WA鋼磨損時(shí)滲層中奧氏體含量的變化

　　1、原始奧氏體2.1.89×105Pa磨損后奧氏體

　　各種載荷和不同原始奧氏體含量下的滲碳層磨損試驗(yàn)結(jié)果：相同原始奧氏體含量及分布，不同載荷下的磨損試驗(yàn)結(jié)果見圖7。不同原始奧氏體含量在相同載荷下的磨損試驗(yàn)結(jié)果見圖8。未經(jīng)冷處理試樣磨損表面和電解剝層表面硬度跟蹤檢測結(jié)果見圖9。

圖7　18Cr2Ni4WA鋼未冷處理試樣不同載荷下的磨損特性

圖8　18Cr2Ni4WA鋼不同原始奧氏體量1.89×105Pa下的磨損特性

圖9　18Cr2Ni4WA鋼未冷處理試樣磨損表面和電解剝層表面硬度跟蹤檢測結(jié)果

3、試驗(yàn)結(jié)果分析

　　3.1、滲層中奧氏體在摩擦過程中的誘發(fā)馬氏體相變及影響因素

　　根據(jù)電解剝層與磨削剝層表面奧氏體量及硬度檢測結(jié)果(如圖5和圖9)可知，在摩擦磨損過程中奧氏體發(fā)生了相變。X射線晶體分析測定表面奧氏體相對(duì)含量時(shí)，觀察兩者的奧氏體與馬氏體的衍射峰強(qiáng)度的變化情況，結(jié)果表明隨磨損試驗(yàn)載荷增大，相應(yīng)的奧氏體衍射峰強(qiáng)度降低，而馬氏體衍射峰強(qiáng)度增大，說明上述相變是馬氏體相變。由圖5進(jìn)一步可以看出，誘發(fā)馬氏體相變量的多少主要受兩個(gè)方面因素的影響，即原始奧氏體量和磨損時(shí)載荷(摩擦接觸面上的應(yīng)力)大小的影響。一般規(guī)律是隨原始奧氏體量增大、接觸表面應(yīng)力水平提高，摩擦誘發(fā)馬氏體相變量增大。這是由摩擦誘發(fā)馬氏體相變的驅(qū)動(dòng)力和相變阻力的相對(duì)大小決定的，原始奧氏體量較大時(shí)，因淬火相變產(chǎn)生的壓應(yīng)力較小，奧氏體中的低碳區(qū)域較多，誘發(fā)相變的阻力較小，可能發(fā)生誘發(fā)馬氏體相變的區(qū)域增多，有利于摩擦誘發(fā)馬氏體相變，反之則不利于摩擦誘發(fā)馬氏體相變;另一方面，在外加載荷較大時(shí)，因試樣與對(duì)磨鋼板的接觸面積保持不變，導(dǎo)致名義接觸面應(yīng)力水平較高，在相對(duì)摩擦滑動(dòng)時(shí)，接觸面及其附近的應(yīng)力、應(yīng)變都較大，摩擦誘發(fā)馬氏體相變驅(qū)動(dòng)力較小，同時(shí)維持在誘發(fā)相變臨界驅(qū)動(dòng)力水平以上的微區(qū)域較多，使摩擦誘發(fā)馬氏體相變量增大。

　　3.2、摩擦誘發(fā)馬氏體相變對(duì)滲碳層磨損特性的影響

　　邊界潤滑磨損的特點(diǎn)是既有直接接觸的區(qū)域，又有被薄油膜分隔的區(qū)域，從磨損表面分析結(jié)果來看，具有粘著磨損、磨料磨損和表面微裂紋油楔剝落等三重磨損特征，反應(yīng)了這種磨損過程的復(fù)雜性。而奧氏體相變的產(chǎn)生，使磨損過程更加復(fù)雜，表現(xiàn)出其特有的性質(zhì)。奧氏體摩擦誘發(fā)馬氏體相變對(duì)滲碳層邊界潤滑磨損特性影響很大，誘發(fā)相變過程中，一方面使磨損表面及其附近硬度提高(如圖9)，有利于提高滲碳層的耐磨性;另一方面，誘發(fā)相變吸收了材料變形和裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的能量，使材料耐磨性得到提高。這個(gè)作用的大小受兩個(gè)矛盾方面的控制，即摩擦誘發(fā)馬氏體相變量的多少和外加載荷大小(接觸表面應(yīng)力大小)。摩擦誘發(fā)馬氏體相變量增多，對(duì)耐磨性提高的幅度增大;而摩擦誘發(fā)馬氏體相變需要有一個(gè)超過臨界應(yīng)力、應(yīng)變的應(yīng)力水平，在原始奧氏體量相同的情況下，應(yīng)力水平越高，誘發(fā)馬氏體相變量越大，有利于提高材料的耐磨性。但與此同時(shí)，接觸面應(yīng)力水平提高，材料表面微觀變形增大，發(fā)生粘著的幾率增大，磨料嵌入磨損表面的可能性增大，形成表面裂紋油楔旋壁梁壓力增大，這些因素都將導(dǎo)致材料磨損量增大。上述兩個(gè)矛盾因素共同作用的結(jié)果決定了材料耐磨性的大小。從圖7的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在較低應(yīng)力水平下，原始奧氏體量大的耐磨性較小;在較高應(yīng)力水平下，原始奧氏體量大的耐磨性較大。由此可知，在確定選擇構(gòu)件材料的處理工藝、確定顯微組織和相組成時(shí)，為提高其磨損使用壽命，必須首先考慮零部件的使用條件。只有顯微組織與磨損條件相匹配時(shí)，才能達(dá)到預(yù)期的效果。