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、相對滑動速度、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�。摩擦過程中由于有熱量產(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	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)，限定相對滑動速度和相對滑動距離，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)動力和相變阻力的相對大小決定的，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，在相對摩擦滑動時(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)動力較小，同時(shí)維持在誘發(fā)相變臨界驅(qū)動力水平以上的微區(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。