配分工藝對5CrMnNiMo超高強度鋼摩擦磨損性能的影響

索忠源， 杜 陽， 付立銘， 單愛黨

(1. 吉林化工學院 機電工程學院， 吉林 吉林 132022；2. 上海交通大學 材料科學與工程學院， 上海 200240)

自2003年Speer[1]提出淬火-配分(Quenching and partitioning， Q&P)工藝以來，因其低成本、超高強度、超高韌性等優勢，引起了國內外研究人員的高度重視，并積極展開了超高強度鋼的研究與開發[2-4]。包括新成分構建、內部組織及熱處理工藝優化、高強韌性能調控等[5-8]。特別是我國徐祖耀等[9-10]在Q&P工藝基礎上，加入回火工藝，使得超級高強鋼的屈服強度、斷裂強度等綜合性能得到明顯提升，但對于超高強度鋼熱處理后的摩擦磨損性能研究還不透徹，國內報道較少。薛進進等[11]研究了30CrMnSiNi2A低合金超高強度鋼的摩擦磨損性能，隨著速度和載荷的增大，磨損機理主要由氧化磨損和顯微切削轉變為剝落、塑性變形、犁溝以及黏著磨損。張霆威等[12]應用Q&P工藝后，發現殘留奧氏體在摩擦磨損試驗過程中發生了馬氏體相變，有利于耐磨性的提升。

為了滿足航天工業對結構鋼超高強度、超高韌性和輕量化的需求，本課題組前期自主研發了5CrMnNiMo超級高強鋼，通過鑄造、軋制控制、淬火-配分等工藝得到超高強度[13]，以期用于制造要求具有良好的摩擦磨損性能并在高速、大載荷等條件下服役的受力結構件。本文通過研究5CrMnNiMo鋼干滑動摩擦磨損特性，分析摩擦表面的微觀形貌、磨屑、側面硬度變化、磨損前后的X射線衍射以及背散射等，推斷磨損機理，為該體系超級高強鋼的應用作理論鋪墊。

1 試驗材料與方法

試驗材料為自行設計的5CrMnNiMo中碳鋼，其化學成分(質量分數，%)要求為0.50～0.55C、<3(Cr+Mn+Ni+Mo)。利用50 kg真空電弧爐熔煉φ200 mm鋼錠，并在1150 ℃下保溫30 min均勻化后，采用兩輥軋機經多道次熱軋至厚度為2.5 mm左右后立即水淬。然后置入820 ℃鹽爐中保溫5 min后水冷至室溫，形成馬氏體組織。隨后進行配分熱處理，具體配分工藝及所得顯微組織[13]如表1所示。

將配分處理后的試板加工成45 mm×45 mm×2 mm試樣，在多功能摩擦磨損試驗機(MUG-5ZS)上進行耐磨性測試，銷式對磨副材質為Si3N4(2240 HV)，尺寸為φ7 mm ×20 mm。試驗在大氣中干滑動條件下進行，載荷50 N，滑動速度0.5 m/s，試驗時間3600 s，總滑動距離1800 m。在磨損試驗前后，使用超聲波浴在工業乙醇和丙酮中徹底清潔試樣，并用精度為0.01 mg的分析天平測量試樣的質量損失，通過式(1)計算比磨損率(SWR)[3]：

(1)

利用維氏硬度計測量配分后試樣橫截面和磨損深度在300 μm以內縱截面的硬度分布，加載載荷分別為200 g和50 g，每個試樣每個位置至少進行5次測量并取平均值，測量位置壓痕之間的最小距離需大于壓痕對角線長度的3倍，以確保最終試驗結果不受壓痕周圍加工硬化區域的影響[14]。

采用Rigaku D/Max 2550 PC X射線衍射儀(XRD)分析摩擦磨損行為對試樣表面相結構的影響。利用JSM-7600F掃描電鏡(SEM)觀察不同配分處理后的磨損表面，通過電子背散射衍射(EBSD)分析摩擦磨損引起的TRIP效應。

2 試驗結果與討論

2.1 磨損率

圖1為不同配分工藝下5CrMnNiMo鋼的磨損率與硬度。由圖1可以看出，隨著配分時間的延長，硬度呈明顯的下降趨勢，即工藝A的硬度高達800 HV0.2，工藝B和工藝C分別為460 HV0.2和390 HV0.2。因工藝A的硬度最高，其磨損率在3種工藝當中最低，為4.6×10-5mm3/(N·m)；工藝B和工藝C硬度降低明顯，但其磨損率分別僅為9.8×10-5mm3/(N·m)和7.7×10-5mm3/(N·m)，略高于工藝A的磨損率。綜合來看，3種配分工藝的磨損率均較低，說明由配分工藝引起的硬度變化對其磨損率影響較小，該體系合金均具有較高的耐磨性。

圖1 不同配分工藝下5CrMnNiMo鋼的磨損率與硬度Fig.1 Wear rate and hardness of the 5CrMnNiMo steel under different partitioning processes

2.2 磨損形貌

對不同配分工藝下5CrMnNiMo鋼磨損后的表面形貌進行SEM觀察及EDS分析，如圖2所示。工藝A條件下，表面以淺而細的犁溝為主，如圖2(a)箭頭所示，帶有少部分黏著痕跡，如圖2(b)所示。此外，表面還分布著大量呈球狀的白色顆粒物，經EDS分析為氧化物，該鐵的氧化物主要是在干摩擦磨損過程中，因對磨副的硬度高，犁掉的顆粒附著在試樣表面，在快速摩擦過程中熱量來不及散失而形成，這一現象與其它體系磨損類似[11]表明此時的磨損機理主要為磨粒磨損、氧化磨損和部分黏著磨損。圖2(c， d)為工藝B條件下的磨損形貌。可見犁溝變寬，黏性區域變大，同時因材料脆性較大，黏性區域內出現部分裂紋，說明在相互磨損過程中，試樣遭受較大的應力，塑性變形不足以快速釋放而出現裂紋。由圖2(e， f)可知，工藝C條件下磨損表面以黏著區域為主，犁溝進一步減少但形貌變寬變深，白色氧化物的數量明顯降低，該條件下磨損機理已經由以磨粒磨損為主轉變為以黏著磨損為主。

圖2 不同配分工藝下5CrMnNiMo鋼的磨損形貌及EDS分析(a，b)工藝A；(c，d)工藝B；(e，f)工藝CFig.2 Wear morphologies and EDS analysis of the 5CrMnNiMo steel under different partitioning processes(a,b) process A; (c,d) process B; (e,f) process C

圖3為不同配分工藝下5CrMnNiMo鋼在磨損試驗前后的XRD圖譜。值得一提的是，在磨損試驗后工藝B和工藝C的殘留奧氏體已轉變為馬氏體。通過觀察圖3(b， c)發現，磨損后殘留奧氏體體積分數總量的減少可以間接證實發生了馬氏體相變，{111}γ、{200}γ和{220}γ面的殘留奧氏體衍射峰在磨損試驗后消失，意味著在磨損過程中，幾乎所有近表面的殘留奧氏體都轉變為馬氏體。圖4中工藝C的EBSD分析證實了在摩擦磨損后殘留奧氏體的轉變，表明在摩擦磨損過程中發生了TRIP效應，塊狀殘留奧氏體轉變為馬氏體。由圖1可知，工藝C的硬度最低，但仍具有較好的耐磨性，其原因是殘留奧氏體的TRIP效應起了重要作用。奧氏體向馬氏體的應變誘導相變可以通過相變應力來調節。新轉變的馬氏體可以提供更好的硬度支撐，并且由于表面嚴重的流動變形，不容易產生微裂紋。

圖3 不同配分工藝下5CrMnNiMo鋼磨損前后的XRD圖譜(a)工藝A；(b)工藝B；(c)工藝CFig.3 XRD patterns of the 5CrMnNiMo steel under different partitioning processes before and after wear test(a) process A; (b) process B; (c) process C

圖4 工藝C下5CrMnNiMo鋼縱截面的EBSD形貌Fig.4 EBSD images in longitudinal section of the 5CrMnNiMo steel under process C

2.3 配分工藝對表面硬度的影響

為了評估不同配分工藝下磨損表層的硬度變化，沿磨損試樣的縱截面進行顯微硬度測量，結果如圖5所示。可以看出，在工藝A條件下，磨損表面的硬度基本不變，保持在800 HV0.05左右，然而工藝B和工藝C在磨損后產生了顯著的加工硬化現象。這種顯著的硬化可歸因于應變硬化和TRIP效應。在磨損過程中，由于高接觸應力，表面會發生顯著的塑性變形，該塑性變形與位錯密度的增加有關。因此，由于應變硬化效應，位錯移動變得更加困難，材料硬度增加。此外，殘留奧氏體向馬氏體的轉變也會導致硬度增加。磨損表面的XRD分析表明，在磨損過程中發生了馬氏體相變(如圖3(b， c)所示)。因此，TRIP效應有助于硬度的增加。殘留奧氏體含量越高，馬氏體相變能力越強，加工硬化能力越高。工藝B和工藝C的表面硬度雖然差別不大，但工藝C表現出更優異的耐磨性，可歸因于其的殘留奧氏體體積分數更高，具有相當大的加工硬化能力。因此，較高的殘留奧氏體體積分數可導致較高的TRIP效應和顯著的加工硬化。

圖5 不同配分工藝下5CrMnNiMo鋼磨損表面的硬度分布Fig.5 Hardness distribution of the worn surface of the 5CrMnNiMo steel under different partitioning processes

3 結論

1) 研究了5CrMnNiMo高強度鋼在3種不同配分工藝下的干滑動磨損行為。配分時間為5 min(等溫配分)的工藝A條件下，摩擦磨損機理主要為磨粒磨損、氧化磨損和部分黏著磨損，由于其具有800 HV0.2的高硬度，使其在3種配分工藝下磨損率最低，耐磨性最強。而配分時間分別為6 h(非等溫配分)和24 h(等溫配分)的工藝B和工藝C的硬度分別為460 HV0.2和390 HV0.2，摩擦磨損機理轉變為黏著磨損為主，少量磨粒磨損，磨損率較工藝A略大。

2) 工藝B和工藝C的硬度雖較低但仍表現出較高的耐磨性，是因為摩擦磨損時產生了較強的TRIP效應。工藝C較工藝B能獲得更高的殘留奧氏體含量，使得在摩擦磨損時產生更強的加工硬化和TRIP效應，較工藝B顯示出更好的耐磨性。