選擇性激光相變40Cr鋼摩擦磨損性能研究

蘇才津，孫耀寧，李 昕，李甜甜，李治恒

(新疆大學 機械工程學院， 烏魯木齊 830047)

引 言

機械零件失效形式主要包括：磨損、斷裂和腐蝕等，其中磨損失效占3/5～4/5[1]，由于40Cr鋼具有良好的強度、剛度及塑韌性，所以工業上應用廣泛；但是，磨損是40Cr鋼機械零件服役期間最終失效的主要原因[2]；磨損件進行熔鑄的制造周期長、成本高、能耗大，所以表面修復和改性工作顯得尤為重要。近年來,表面織構在摩擦學領域應用廣泛，表面織構作為提升表面性能的一種方法，牽動著學者們的每一根神經，研究人員對沙漠中蛇類、蜥蜴、駱駝腳掌等動物角質層形態進行追蹤，發現點狀、條狀和網狀表面結構具有良好的耐磨性能[3-4]。吉林大學ZHANG[5]模仿櫛孔扇貝瓣等動物表面形狀，將其應用于深松鏟刃，實際應用表明：織構表面樣本磨損量得到顯著減小。國內學者[6-10]在鋼軌(U71Mn)表面制備了點狀、長條狀、田字形離散淬火表面，結果表明:點狀、軟硬比例耦合表面能夠顯著提高鋼軌抗疲勞(表面壓應力)、并指出50%硬質相表面耐磨性能最佳。參考文獻[11]中綜述了表面織構研究進展。YUAN等人[12]在Ti6Al4V表面分別制備圓形凹坑占比為5%、7%和11%的功能性表面，磨損試驗表明微凹坑占比在5%時，合金摩擦損失重量最小。貝殼是一種典型的耐磨生物， STAROSTIN等人[13]在40Cr表面模仿貝殼表面結構制備不同比例長條狀仿生半固態單元，仿生半固態單元提高了表面耐磨性，并指出50%硬質相表面耐磨性能最好。參考文獻[14]中系統而詳盡地闡述織構理論與摩擦學之間的機理。由于激光相變硬化工藝具備如快熱(105℃/s～106℃/s)快冷(105℃/s)、變形小、高加工精度和靈活性[2,15]，且被加工表面不需二次機加工便可使用等優點，被認為是鋼中最有效的強化方法之一[16]。美國通用汽車公司于20世紀80年代建成17條表面激光相變硬化處理生產線，經過處理零部件耐磨性較原工藝提高近10倍[17]。

目前關于40Cr鋼離散激光相變硬化摩擦磨損性能研究少，以往的研究主要集中在工藝參數、組織與物相分析，關于摩擦磨損性能研究很少；本文中借鑒織構理論采用激光相變硬化工藝在40Cr鋼表面制備規律分布的硬質相，結合物相、組織、摩擦系數、磨損后表面形貌研究硬質相占比50%[13]表面摩擦磨損性能，將硬度為720HV0.1的馬氏體硬化陣列均勻分布在韌性鐵素體40Cr基體中。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗材料為退火態40Cr鋼，使用平板材料的長寬高分別為：100mm×50mm×8mm，主要元素成分如表1所示。為了減少材料表面污染物對實驗精度的影響，實驗前用粗砂紙打磨40Cr表面，去除表面氧化層及油污，并放入無水乙醇中在超聲波清洗儀中清洗。

Table 1 Chemical composition of 40Cr steel (mass fraction)

相變表面示意圖如圖1所示。硬質相占比50%[13]，未加工表面長寬分別為100mm×50mm，矩形條的面積為300mm2；矩形條分配至100mm×50mm表面，可以計算矩形條間距為3mm(制備軟硬耦合表面)，光斑面積為2.25πr2；光斑分配到長寬分別為100mm×50mm的表面。調節示教器的坐標位置完成實驗；其中灰色表示基體40Cr鋼，白色表示激光加工區域，實物圖如圖2所示。

Fig.1 Schematic diagram of laser transformation hardening forms

Fig.2 Photograph of 40Cr treated by laser transformation hardening

1.2 實驗工藝參數

所考慮激光相變硬化工藝參數變量包括激光功率和掃描速率，不變量包括光斑直徑3mm和離焦量0mm。實驗參數如表2所示，實驗中采用光纖激光器(nlIGHTCFL-2000)與機械手(ABB2600)及其它外圍輔助設備協同完成，保護氣使用工業氬氣(Ar)，相變形式如圖1a和圖1b示。

1.3 實驗方法

磨損是機械運動過程產生不希望的材料移除，不會完全消除，但可以減小。織構理論中影響摩擦學性能主要因素包括：面積率、形狀尺寸[14]，所以通過激光相變工藝(獲取硬質層)+軟硬、形狀耦合表面(織構理論)方案解決40Cr鋼在服役期間磨損問題。

Table 2 Experiment parameter of laser transformation hardening

首先，采用線切割技術沿垂直于激光掃描方向切割下長寬高分別為10mm×10mm×8mm的試樣，分別編號為1#、2#、3#、4#試樣；其次，對試樣進行鑲嵌，并使用金相砂紙逐級打磨試樣截面，打磨使用砂紙順序依次為120μm，38μm，……，6.5μm，5μm，然后使用拋光機進行拋光；最后，使用體積分數為0.04硝酸酒精溶液對試樣腐蝕10s，并放入無水乙醇在超聲波清洗儀中清洗，金相試樣制備完成。

1.4 檢測設備

通過場發射掃描電鏡(scanning electron microscopy,SEM;設備型號：NovaTEMNanoSEM450)、X射線衍射儀(設備型號：D/max-2400)、顯微硬度計(設備型號：HV-1000A-DC200)分別觀察淬硬層組織、物相及完成硬度測試，摩擦磨損試驗機(設備型號: MS-T3000)評估軟硬耦合表面抗磨性能，采用超景深顯微鏡(設備型號：VX-6000)觀察磨損后試樣表面形貌。

2 分析與討論

2.1 淬硬層物相/組織

圖3為基材與相變后40Cr鋼X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)圖譜。掃描角2θ=30°～90°，連續掃描速率2°/min,結果表明：40Cr鋼基體完全由α-Fe相組成；相變后生成馬氏體相和滲碳體相：M7C3，M7C3相包括Cr7C3和Fe7C3，因為在相變過程中，相變區被迅速加熱至高于相變溫度但低于熔化溫度，獲得奧氏體晶粒；激光束的快速運動，使得輻照區域產生大的過冷度，非平衡凝固產生新相(馬氏體、M7C3)；M7C3相耐磨性比α-Fe高9倍左右[18]，進而增加表面磨損、腐蝕性能；相變后衍射峰變寬進一步說明晶粒得到細化，晶體結構發生變化；馬氏體α-(Fe、Cr)峰衍射三強線(110)、(200)、(211)最為明顯，且淬火后晶體衍射峰變強，說明淬火后晶體取向發生轉變；淬火后衍射峰物相增多主要是因為固態相變相界面在推移過程中保持共格關系所決定[19]；表明相變過程具有自組織功能，總是選擇阻力最小、速度最快的有利途徑進行，其結果就是相變更加徹底，相變更加容易地自發進行[19]。

Fig.3 Diffraction patterns of quenched surface and matrix

40Cr鋼相變微觀組織如圖4所示。頂部為完全淬火區組織(見圖4a)，底部為基體交界區組織(見圖4b)。圖4a中完全淬火區組織以板條狀馬氏體為主，由于自由表面處應變能約束松弛且無擴散相變晶核形狀參數小于1而產生馬氏體；圖4c中基體交界區與原始顯微組織相比，可以確定新產生的物相是由原始鐵素體轉變而來；相變區位錯組態表現為胞狀網絡特征和高纏結狀(見圖4c)；相比于中部，頂部馬氏體晶粒更細。

Fig.4 Micro-structures of layer hardening of the 40Cr steel

綜上所述，激光相變硬化區硬化機理是強化相的生成和晶粒的細化，較大的形核率和極大過冷度使得奧氏體晶粒來不及長大，晶粒顯著細化及晶體缺陷密度增加使得40Cr鋼激光相變后表層硬度顯著提高，從相變過程進一步驗證了析出相與基體保持一定的晶體學取向之外，還進一步保持著部分共格和完全共格，進一步驗證了相轉變時位錯結構繼承性假設[19]。

2.2 顯微硬度

硬度是表征材料綜合力學性能指標之一，使用顯微硬度儀(HVS-1000AV)可檢測相變區顯微硬度。相變示意圖及硬度測試過程如圖5a所示,在截面上，從試樣表層至底部每隔200μm沿著圖5a紅色箭頭取一個硬度測試點進行硬度表征，載荷100g，保壓10s，同一深度處測量5個點取其平均值，其淬硬層顯微硬度如圖5b所示。

Fig.5 a—schematic illustration of laser transaction hardening b—cross-section micro-hardness distribution of samples

通過圖5b可得到比較直觀的結論：淬硬層和熱影響區硬度梯度較大，圓形相變形式優于條狀，且淬硬層較深；條狀相變所對應兩種工藝參數平均硬度分別為：584HV0.1，701HV0.1；圓形相變形式對應兩種工藝參數平均硬度為：723HV0.1，724HV0.1，硬度優于傳統淬火工藝600HV0.1[20]，進一步說明加熱/冷卻速率對相變的重要性，因為材料物化屬性都是溫度的變量；新相馬氏體、M7C3及高位錯殘余奧氏體使得硬度顯著提升。

2.3 摩擦磨損實驗

圖6a為MS-T3000銷-盤式摩擦磨損試驗機室溫下測的關于摩擦系數在時間維度上的變化趨勢。摩擦磨損實驗參數如下:銷盤轉速為200r/min，法向載荷為5N，實驗時間為20min，銷盤旋轉半徑為3mm，對磨副是不銹鋼球，屬于高副接觸。圖6b為MS-T3000磨損試驗機示意圖。

圖6a為摩擦系數與時間變化關系曲線圖。從圖中可以看到，磨損是一個階段性的過程，前2min摩擦系數波動較大，因為靜摩擦向滾動摩擦過渡，主要以粘滑運動為主，所以摩擦系數波動較大，前2min可以近似為靜摩擦系數；隨銷盤轉速增加而減小動態不穩定性，由于磨損和松弛使得摩擦副表面互相調整，所以2min后進入穩定階段，摩擦系數趨于穩定。

摩擦系數是描述摩擦系統中物體接觸狀態的參數[21]，取決于材料表面形貌、接觸狀態和滑動速度的相互作用；對比1#、2#、3#、4#和40Cr的摩擦系數得出以下結論：干摩擦實驗工況軟硬、形狀耦合表面能夠顯著降低摩擦系數波動性，1#、2#、3#、4#試樣摩擦系數曲線穩定，切向力穩定；但是40Cr的摩擦系數波動較大，由于磨損過程中磨粒碎屑的隨機運動使得表面接觸狀態變化較大；表明在韌性基體中引入一定體積分數的硬質相可以降低接觸區域中基體材料的韌性而不具有脆性[19]，結果可以減小表面磨損。40Cr鋼在壓縮和剪切復合應力下試樣表面發生嚴重的塑性變形，大的塑性變形導致摩擦系數變大，殘余塑性變形使摩擦副之間產生粘著，增加剪切阻力，因此，摩擦因數較大；1#、2#、3#、4#試樣表面摩擦系數均低于40Cr基材。

Fig.6 a—friction coefficient curves of all specimens b—schematic illustration of wear experiment

2.4 表面形貌

進一步探明軟硬、形狀耦合表面損傷機理，采用超景深顯微鏡(VX-6000)拍攝摩擦磨損后表面3維形貌,如圖7～圖11所示。調節至2000倍景深拍攝。磨損表面上有犁溝、劃痕、沖擊坑等損傷形式，這些不同磨損形式與材料表面形態和運動方式密切相關，通過表面形貌分析軟硬組織磨損機理。圖中色柱表示摩擦初始面與摩擦后凹陷/凸起之間高度差z(μm)，3維坐標如圖7a所示。

圖7～圖10是1#、2#、3#、4#試樣磨損后軟、硬相表面3維形貌圖，圖11是40Cr鋼磨損后3維形貌圖。所有試樣軟相區(見圖7b～圖10b、圖11)都有明顯的犁溝出現，典型的磨粒磨損,而硬質相表面損傷很小；3#試樣硬質相(見圖9b)表面分布較多磨損碎屑，有較淺的劃痕和剝落物，可以確定為塑性變形和磨粒磨損；2#、4#試樣硬質相(見圖8a、圖10b)表面光滑有輕微刮傷痕跡，所以3#、2#、4#試樣摩擦系數穩定；1#試樣硬質相(見圖7a)表面平整光滑，所以1#試樣摩擦系數較低且穩定，源于1#硬質相表面粘附一些凸起物，是由于粘著磨損產生的顆粒物；硬質相摩擦磨損過程中有扎釘效應，能夠阻礙顆粒運動，軟質相摩擦磨損中能夠緩沖能量(塑性好)和磨屑，最終達到減磨耐磨的效果。

Fig.7 a—1# wear morphology of hardening phase region b—1# wear morphology of softening phase region

Fig.8 a—2# wear morphology of hardening phase b—2# wear morphology of softening phase region

Fig.9 a—3# wear morphology of hardening phase region b—3# wear morphology of softening phase region

Fig.10 a—4# wear morphology of hardening phase region b—4# wear morphology of softening phase region

40Cr基材磨損表面(見圖11a、圖11b,分別為不同位置)有較多的劃痕和長且寬的犁溝，這樣就積累了大量的磨屑材料，劃痕處的物質會脫落加入到摩擦過程中，所以摩擦系數較大，犁溝中的材料由內部向側面擠壓，導致粘著磨損、磨料磨損。

Fig.11 Wear morphology at different positions of 40Cr surface wear area

3 結 論

(1)硬化層顯微硬度約為720HV0.1,為40Cr鋼硬度的2.6倍，強化相包括馬氏體、Cr7C3和Fe7C3，軟相區以粘著磨損、磨料磨損為主，硬相區以輕微塑性變形和磨粒磨損為主；材料耦合、形狀耦合表面能夠穩定摩擦系數，硬相可以抵抗變形，而軟相可以釋放變形，提供最佳接觸表面。

(2)塑韌性材料表面規律的分布、一定比例(50%)硬質相可以讓接觸區域塑韌性達到動態平衡，其結果可以減小磨損；摩擦磨損過程硬質相能夠阻礙磨屑運動，軟質相在摩擦磨損過程可以緩沖能量與磨屑。