摩擦火花瞬時高溫對中高碳鋼中碳的影響

盛華峰 沈 凱 杜雨沙 王 麗 朱麗輝

(中國科學院寧波材料技術與工程研究所，寧波 315201)

碳素鋼的性能主要取決于含碳量。含碳量增加，鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性和可焊性降低。常見的中高碳鋼有高速鋼、彈簧鋼、合金工具鋼、軸承鋼等，主要應用于制造刀具、量具、模具[1-4]。隨著儀器分析技術的發展，火花直讀光譜儀由于分析速度快、緊密度高、可同時測定若干元素等優勢廣泛應用于黑色金屬及有色金屬成份的快速定量分析[5]。在使用火花直讀光譜儀對樣品進行定量檢測過程中必定會需要對樣品表面進行打磨，然而在高速打磨過程中摩擦火花瞬時高溫是否會對中高碳鋼表面形成脫碳層，從而影響中高碳鋼中碳含量的檢測。本研究主要選取42CrMo、60Si2Mn、GCr153種常見的中高碳鋼進行分析。

1 理論分析

脫碳是指鋼在高溫加熱時表面失去全部或部分的碳，導致表面碳的質量分數低于鋼內部并引起鋼表面組織結構發生變化的現象。據文獻報道42CrMo當加熱溫度為900℃時，表面出現完全脫碳層和部分脫碳層，當溫度為950℃及以上溫度時，表面只出現部分脫碳層[6]。60Si2Mn彈簧鋼室溫組織在700℃以下加熱時不發生脫碳，750℃到900℃加熱時會形成柱狀生長的鐵素體全脫碳[7]。GCr15軸承鋼在700 ℃和800 ℃加熱均沒有發生脫碳; 當溫度高于900℃時，開始有70μm部分脫碳組織形成[8]。T8碳素工具鋼在900℃以下，55MnCrNb在800℃以下均無明顯脫碳，SCM400在750℃以下脫碳層厚度為零[9-11]。從以上對中高碳合金脫碳層的研究表明使金屬表面形成脫碳的溫度至少需要在700℃以上，并且需要10～20min以上的保溫時間。

在對304、316、45號鋼的摩擦型火花能力研究中，在轉速為1500r/min，壓力100N的情況下，304不銹鋼熱導率最低，故其摩擦區域溫度最高，最高溫度為582.19 ℃；45號鋼熱導率最高，摩擦區域溫度最低，最高溫度為412.38℃，達到以上最高溫度的時間在40～45s[12]。根據合金鋼在100℃下的熱導率多線性回歸方程(1)[13]計算42CrMo、60Si2Mn、GCr15熱導率，結果見表1。而在相同溫度下30408(06Cr19Ni10)的熱導率為16.3W/(m·K)[14]。合金鋼的熱導率遠遠大于不銹鋼的熱導率，因此42CrMo、60Si2Mn、GCr15的摩擦區域的最高溫度不可能大于600℃，故從理論分析高速打磨過程中摩擦火花瞬時高溫不會使中高碳鋼樣品表面形成脫碳層。

λ=43.03-12.67ω(Si)+
11.63ω(C)-1.21ω(sc)-1.61ω(nc)

(1)

其中：ω(sc)為W、V、Mo、Cr等元素；

ω(nc)為Cu、Ni、Mn等元素。

表1 化學成分及熱導率(質量分數)

2 檢測驗證

2.1 實驗部分

2.1.1主要儀器及試劑

火花直讀光譜儀：MAXxLMM16德國斯派克分析儀器有限公司；光譜磨樣機：MY-400 天虹工礦專用設備有限公司(附有600目的氧化鋯砂輪片)。

國家標準物質：YSBS 41337-2013(60Si2Mn，上海材料研究所)；YSBS 41324-2010(42CrMo；上海材料研究所)；YSBS 41338-2013(GCr15；上海材料研究所)。

2.1.2火花直讀光譜儀實驗方法

2.1.2.1光譜儀工作原理

2.1.2.2火花直讀光譜儀分析條件

光源：全數字等離子發生器光源；鎢電極(針狀電極)，頂端圓錐為90°；氬氣純度>99.999%；分析方法：Fe-10-M low allowsteel；分析線和內標線波長見表2。

表2 分析線和內標線波長

2.1.2.3火花直讀光譜儀分析方法

將標準樣品置于光譜磨樣機上，以1440r/min的轉速,50N的壓力，打磨樣品表面，樣品表明要求平整；不能用手碰、不能沾到水、油等；不能有小孔、砂眼、缺陷；金屬表面的紋路要統一、方向要一致。激發位置一般與樣品形狀有關，應選擇均勻、有代表性的位置激發，并注意樣品放置時應不漏氣、不重疊；激發時聽聲音，激發后看斑痕，擴散放電數據應舍棄[5]。采用類型校準化法對樣品進行定量分析。

3 結果及討論

使用直讀光譜儀對標準樣品同一點中的碳含量進行11次打磨并分析每次打磨之后的結果，計算結果的精密度以及準確度，結果見表3。

表3 火花直讀光譜儀碳含量結果及精密度和準確度

使用火花直讀光譜儀對60Si2Mn、42CrMo、GCr15 3種合金鋼的標準物質進行了定量分析，其中碳含量的范圍在0.425～0.97%符合中高合金鋼(碳含量在0.25～1.25%)常見的范圍[19]。按照1.2.3分析方法對中高合金鋼標準樣品進行11次平行測試，檢測結果的相對標準偏差<2%,見表3。實驗結果表明，檢測結果與標準值基本一致，滿足標準物質證書的不確定要求。因此高速打磨過程中摩擦火花瞬時高溫對碳含量檢測結果無明顯影響。

從氧化和脫碳的基本原理可知，氧化主要是氧向鋼中擴散和鋼中鐵向外擴散；而脫碳則是由于碳由鋼的內部向表層擴散并在鋼的表面與脫碳氣體反應；氧化和脫碳現象一直存在，只有當碳的擴散速度大于鐵的擴散速度時從而形成脫碳層[20]。60Si2Mn在溫度為700～900℃時位于(γ+α)兩相區，鋼表面氧化遠遠小于碳原子擴散從而形成全脫碳層[21]。GCr15中碳元素受溫度影響向晶界擴散形成二次碳化物析出導致碳元素在基體中的含量下降，而導致碳元素擴散形成先共滲碳體析出的溫度范圍在700～900℃[22]。從以上相關研究我們發現對于高速打磨過程中摩擦火花瞬時高溫無法達到引起碳含量減少的相變溫度，這也從另一方面驗證了檢測結果的可靠性。

4 結論

通過對摩擦區域可能達到的最高溫度分析以及對60Si2Mn、42CrMo、GCr15 3種標準物質的定量分析，得到以下結論：

(1)摩擦區域的最高溫度不可能達到600℃，無法達到引起脫碳的相變溫度。

(2)檢測結果與標準值基本一致，滿足標準物質證書的不確定要求；11次重復測試的相對標準偏差RSD在0.499%～0.698%。檢測結果具有良好的精密度和準確度，滿足檢測要求。

在實際檢測過程中樣品的打磨過程產生的摩擦火花瞬時高溫不會使中高碳鋼表面形成脫碳層，對碳含量的檢測無明顯影響。