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(xué) 機械工程學(xué)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(yè)上應(yīng)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(fù)和改性工作顯得尤為重要。近年來,表面織構(gòu)在摩擦學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，表面織構(gòu)作為提升表面性能的一種方法，牽動著學(xué)者們的每一根神經(jīng)，研究人員對沙漠中蛇類、蜥蜴、駱駝腳掌等動物角質(zhì)層形態(tài)進行追蹤，發(fā)現(xiàn)點狀、條狀和網(wǎng)狀表面結(jié)構(gòu)具有良好的耐磨性能[3-4]。吉林大學(xué)ZHANG[5]模仿櫛孔扇貝瓣等動物表面形狀，將其應(yīng)用于深松鏟刃，實際應(yīng)用表明：織構(gòu)表面樣本磨損量得到顯著減小。國內(nèi)學(xué)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(jié)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(yīng)力)、并指出50%硬質(zhì)相表面耐磨性能最佳。參考文獻(xiàn)[11]中綜述了表面織構(gòu)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(jié)構(gòu)制備不同比例長條狀仿生半固態(tài)單元，仿生半固態(tài)單元提高了表面耐磨性，并指出50%硬質(zhì)相表面耐磨性能最好。參考文獻(xiàn)[14]中系統(tǒng)而詳盡地闡述織構(gòu)理論與摩擦學(xué)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(yōu)點，被認(rèn)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(jì)80年代建成17條表面激光相變硬化處理生產(chǎn)線，經(jīng)過處理零部件耐磨性較原工藝提高近10倍[17]。

目前關(guān)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(shù)、組織與物相分析，關(guān)于摩擦磨損性能研究很少；本文中借鑒織構(gòu)理論采用激光相變硬化工藝在40Cr鋼表面制備規(guī)律分布的硬質(zhì)相，結(jié)合物相、組織、摩擦系數(shù)、磨損后表面形貌研究硬質(zhì)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(tài)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(zhì)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(diào)節(jié)示教器的坐標(biāo)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(qū)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(shù)

所考慮激光相變硬化工藝參數(shù)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(shù)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(shè)備協(xié)同完成，保護氣使用工業(yè)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(chǎn)生不希望的材料移除，不會完全消除，但可以減小。織構(gòu)理論中影響摩擦學(xué)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(zhì)層)+軟硬、形狀耦合表面(織構(gòu)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(shù)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?jǐn)?shù)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(shè)備

通過場發(fā)射掃描電鏡(scanning electron microscopy,SEM;設(shè)備型號：NovaTEMNanoSEM450)、X射線衍射儀(設(shè)備型號：D/max-2400)、顯微硬度計(設(shè)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(shè)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(shè)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(xù)掃描速率2°/min,結(jié)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(qū)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(qū)域產(chǎn)生大的過冷度，非平衡凝固產(chǎn)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(xì)化，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)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(fā)生轉(zhuǎn)變；淬火后衍射峰物相增多主要是因為固態(tài)相變相界面在推移過程中保持共格關(guān)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(jié)果就是相變更加徹底，相變更加容易地自發(fā)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(qū)組織(見圖4a)，底部為基體交界區(qū)組織(見圖4b)。圖4a中完全淬火區(qū)組織以板條狀馬氏體為主，由于自由表面處應(yīng)變能約束松弛且無擴散相變晶核形狀參數(shù)小于1而產(chǎn)生馬氏體；圖4c中基體交界區(qū)與原始顯微組織相比，可以確定新產(chǎn)生的物相是由原始鐵素體轉(zhuǎn)變而來；相變區(qū)位錯組態(tài)表現(xiàn)為胞狀網(wǎng)絡(luò)特征和高纏結(jié)狀(見圖4c)；相比于中部，頂部馬氏體晶粒更細(xì)。

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

綜上所述，激光相變硬化區(qū)硬化機理是強化相的生成和晶粒的細(xì)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(xì)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(xué)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(zhuǎn)變時位錯結(jié)構(gòu)繼承性假設(shè)[19]。

2.2 顯微硬度

硬度是表征材料綜合力學(xué)性能指標(biāo)之一，使用顯微硬度儀(HVS-1000AV)可檢測相變區(qū)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(jié)論：淬硬層和熱影響區(qū)硬度梯度較大，圓形相變形式優(yōu)于條狀，且淬硬層較深；條狀相變所對應(yīng)兩種工藝參數(shù)平均硬度分別為：584HV0.1，701HV0.1；圓形相變形式對應(yīng)兩種工藝參數(shù)平均硬度為：723HV0.1，724HV0.1，硬度優(yōu)于傳統(tǒng)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(guān)于摩擦系數(shù)在時間維度上的變化趨勢。摩擦磨損實驗參數(shù)如下:銷盤轉(zhuǎn)速為200r/min，法向載荷為5N，實驗時間為20min，銷盤旋轉(zhuǎn)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(shù)與時間變化關(guān)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(shù)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(shù)波動較大，前2min可以近似為靜摩擦系數(shù)；隨銷盤轉(zhuǎn)速增加而減小動態(tài)不穩(wěn)定性，由于磨損和松弛使得摩擦副表面互相調(diào)整，所以2min后進入穩(wěn)定階段，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。

摩擦系數(shù)是描述摩擦系統(tǒng)中物體接觸狀態(tài)的參數(shù)[21]，取決于材料表面形貌、接觸狀態(tài)和滑動速度的相互作用；對比1#、2#、3#、4#和40Cr的摩擦系數(shù)得出以下結(jié)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(shù)波動性，1#、2#、3#、4#試樣摩擦系數(shù)曲線穩(wěn)定，切向力穩(wěn)定；但是40Cr的摩擦系數(shù)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(tài)變化較大；表明在韌性基體中引入一定體積分?jǐn)?shù)的硬質(zhì)相可以降低接觸區(qū)域中基體材料的韌性而不具有脆性[19]，結(jié)果可以減小表面磨損。40Cr鋼在壓縮和剪切復(fù)合應(yīng)力下試樣表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，大的塑性變形導(dǎo)致摩擦系數(shù)變大，殘余塑性變形使摩擦副之間產(chǎn)生粘著，增加剪切阻力，因此，摩擦因數(shù)較大；1#、2#、3#、4#試樣表面摩擦系數(shù)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(diào)節(jié)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(tài)和運動方式密切相關(guān)，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(biāo)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(qū)(見圖7b～圖10b、圖11)都有明顯的犁溝出現(xiàn)，典型的磨粒磨損,而硬質(zhì)相表面損傷很小；3#試樣硬質(zhì)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(zhì)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(shù)穩(wěn)定；1#試樣硬質(zhì)相(見圖7a)表面平整光滑，所以1#試樣摩擦系數(shù)較低且穩(wěn)定，源于1#硬質(zhì)相表面粘附一些凸起物，是由于粘著磨損產(chǎn)生的顆粒物；硬質(zhì)相摩擦磨損過程中有扎釘效應(yīng)，能夠阻礙顆粒運動，軟質(zhì)相摩擦磨損中能夠緩沖能量(塑性好)和磨屑，最終達(dá)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(zhì)會脫落加入到摩擦過程中，所以摩擦系數(shù)較大，犁溝中的材料由內(nèi)部向側(cè)面擠壓，導(dǎo)致粘著磨損、磨料磨損。

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

3 結(jié) 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(qū)以粘著磨損、磨料磨損為主，硬相區(qū)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(wěn)定摩擦系數(shù)，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(guī)律的分布、一定比例(50%)硬質(zhì)相可以讓接觸區(qū)域塑韌性達(dá)到動態(tài)平衡，其結(jié)果可以減小磨損；摩擦磨損過程硬質(zhì)相能夠阻礙磨屑運動，軟質(zhì)相在摩擦磨損過程可以緩沖能量與磨屑。