低碳鋼表面滲碳及其耐磨性能研究

邢澤炳，翟鵬飛，張靜，張秀全

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 山西 太谷030801）

土壤耕作部件在工作時與泥土、砂石、樹根以及雜草等接觸，磨損成為其主要的失效形式。據(jù)統(tǒng)計，一般情況下普通犁鏵在粘性土壤中作業(yè)壽命為20～35hm2，而在沙土中作業(yè)壽命僅為3.3～5.5 hm2［1］。磨損以后的耕作部件牽引阻力增大、油耗增加、工作效率降低，作業(yè)質(zhì)量下降，作業(yè)成本提高。因此，耕作部件在選材和制造的時候，除了材料具有一定的韌性發(fā)生斷裂外，更應(yīng)該通過加工處理提高其耐磨性能。

各種表面技術(shù)如堆焊、噴涂、熔敷、化學(xué)熱處理以及氣相沉積等是提高材料表面性能的重要手段，廣泛應(yīng)用于要求耐磨、耐蝕等特殊性能的場合［2～7］。滲碳屬于化學(xué)熱處理，其工藝簡單，成本較低，在工業(yè)上已經(jīng)應(yīng)用于齒輪、軸類零件等要求耐磨的零件中［3］。但對土壤耕作零部件的滲碳處理還未見相關(guān)報道。根據(jù)耕作部件的工作環(huán)境條件以及常用材料［8］，選擇20鋼材料，對其滲碳處理，并進(jìn)行了耐磨性能對比試驗，探討此類材料及其滲碳工藝在土壤耕作部件加工中應(yīng)用的可行性。

1 試驗材料及方法

20鋼選用熱軋退火態(tài)棒材，截取并銑成10 mm×10mm×20mm的長方體塊體材料，表面經(jīng)800#砂紙打磨并拋光以后，用汽油清洗表面油污并放入120mm×120mm×200mm的滲碳和滲碳箱中進(jìn)行處理。滲碳劑采用洛陽龍門滲劑廠生產(chǎn)的GSC型固體滲劑，顆粒直徑3mm～5mm。使用時先在滲碳箱底部鋪15mm滲碳劑，再放試樣。試樣間保持20mm的距離，滲碳工藝采用930℃／5h保溫后空冷至室溫，然后重新加熱至790℃保溫半小時完成奧氏體化進(jìn)行水冷淬火，180℃／2h低溫回火，每一個階段均保留一組試樣，供組織和性能分析，其工藝路線如圖1所示。使用D8常規(guī)X－ray衍射儀進(jìn)行試樣表層物相分析，掃描速度1°·min－1，步長為 0.020°，銅靶。CMM－15E光學(xué)顯微鏡分析試樣的顯微組織。HV－1000型顯微硬度計測量試樣的表面硬度值，數(shù)據(jù)取三次測量的平均值。磨損試驗使用ML－100磨粒磨損試驗機測量，磨損試驗機工作原理如圖2所示，摩擦盤上覆蓋600#標(biāo)準(zhǔn)砂紙。采用失重法記錄試樣每磨損500圈后的失重量。

圖1 滲碳熱處理工藝Fig.1 Process of carburization

圖2 ML－100磨粒磨損試驗機工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of ML－100wear tester

2 試驗結(jié)果與分析

20鋼屬于低碳鋼，含碳量為0.17%～0.24%，并且有少量的硅和錳，組織為鐵素體和少量的珠光體，布氏硬度小于 HBS170［9］。經(jīng)過表面滲碳處理，在試樣的表層形成了梯度分布的滲碳層，通過X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)未經(jīng)滲碳的20鋼只有鐵素體的衍射峰，表明珠光體含量很少，X射線衍射無法探測到。而經(jīng)過滲碳及淬火和回火處理以后，表層除了回火馬氏體的衍射峰以外，還出現(xiàn)了滲碳體和一定量的Fe2O3雜質(zhì)的衍射峰，說明表面滲碳并熱處理以后表面含碳量達(dá)到過共晶成分，熱處理以后得到回火馬氏體和單質(zhì)滲碳體組織，同時水冷淬火造成表面的氧化。如圖3所示。

圖3 X射線衍射分析Fig.3 X－ray diffraction analysis

通過金相顯微分析發(fā)現(xiàn)，20鋼滲碳層厚度約為25μm左右，表層含碳量超過共晶成分，心部仍保持低碳成分，鐵素體組織經(jīng)過淬火形成了低碳的馬氏體組織，如圖4所示。

圖4 試樣顯微組織（400×）Fig.4 Microstructure of the sample（400×）

試樣組織的不同導(dǎo)致顯微硬度也有很大的差異，未處理的低碳鋼顯微硬度只有HV250，而淬火馬氏體的硬度達(dá)到HV900以上，如圖5所示。由圖可見，在高溫條件下，滲碳劑中分解出的活性碳原子極易吸附于低碳鋼表面，并向內(nèi)部擴散，于是在低碳鋼表面一定范圍內(nèi)形成了碳原子的梯度分布，表層的含碳量最高，達(dá)到過共晶的成分，并形成過共晶組織，心部仍然維持低碳含量。淬火以后形成馬氏體組織，而馬氏體的硬度取決于含碳量的多少［9］，所以表層的顯微硬度顯著提高。

圖5 試樣顯微硬度Fig.5 Microhardness of the sample

比較滲碳后爐冷試樣、滲碳后重新加熱淬火試樣和淬火以后低溫回火試樣（如圖5所示）的顯微硬度可以發(fā)現(xiàn)：滲碳以后重新加熱淬火試樣的顯微硬度最高，可達(dá)HV938，而淬火后低溫回火的試樣略有下降，不進(jìn)行淬火的試樣硬度最低。這可以從試樣的組織特點加以解釋，首先滲碳以后直接爐冷，滲層組織主要是珠光體和部分的滲碳體，表層硬度與滲碳體和珠光體組織的量有關(guān)，含碳量越高，組織中的滲碳體越多，硬度也越高。而經(jīng)過淬火處理，發(fā)生固態(tài)相變，心部生成低碳的板條狀馬氏體組織，表層為針狀高碳馬氏體組織，具有很高的硬度，這也就是該試樣具有很高硬度的原因。經(jīng)過低溫回火以后，馬氏體變成了回火馬氏體，消除殘余應(yīng)力，降低馬氏體的過飽和度，晶格畸變有所降低，所以硬度稍有下降。

圖6為試樣的磨粒磨損試驗結(jié)果，圖中顯示滲碳以后淬火低溫回火的試樣的失重量最小，其次是滲碳以后爐冷和滲碳以后淬火試樣，結(jié)合硬度試驗可以看出，試樣的耐磨性能與其顯微硬度之間不是線性關(guān)系，硬度最高的淬火試樣并不是最耐磨的，反而經(jīng)過低溫回火處理以后的試樣磨損率最小。因此，可以認(rèn)為在磨粒磨損過程中，硬度并不是決定材料耐磨性能的唯一因素，而是與材料的組織有關(guān)。

圖6 試樣磨損失重量Fig.6 Testing for wear mass loss of the sample

圖7為試樣經(jīng)過磨損以后的表面形貌，從圖中可以看出，三個試樣表面均為硬質(zhì)點滑擦所形成的犁溝型式磨損［5］，但是由于試樣摩擦表面組織的不同，這種犁溝的峰谷深度以及分布狀況有一定的差異。未經(jīng)任何處理的20鋼存在較深的犁溝，而且犁溝間距很不均勻，說明由于鐵素體組織硬度小，在受到硬磨粒磨損時表現(xiàn)出的不可抗拒性。而經(jīng)過滲碳和熱處理以后的試樣磨痕小且分布均勻，顯微硬度更高的淬火試樣犁溝最淺，但是存在著硬質(zhì)點的剝落現(xiàn)象，而回火以后的試樣則表現(xiàn)為整體均勻的磨損，所以從磨損失重上看，回火以后的試樣最小。

3 討論

低碳鋼滲碳、淬火和低溫回火以后，心部仍然保持低碳成分，組織為板條狀的低碳馬氏體，該組織具有很好的塑性和韌性，是滲碳鋼保持心部沖擊韌性的重要保證。表層由于滲碳獲得高碳層，并經(jīng)過淬火得到了高碳的針狀馬氏體組織，馬氏體的硬度只取決于碳的含量［9］，因此，表層組織經(jīng)過滲碳和淬火可以獲得很高的硬度。

使用20鋼表面滲碳及淬火回火熱處理的材料作為耕作部件使用，兼顧到此類零部件工作時與土壤、砂石的摩擦磨損和沖擊。土壤的主要成分為SiO2，其顯微硬度可到 HV1000以上［10］，經(jīng)過滲碳以及淬火回火的試樣的表面硬度已經(jīng)非常接近，這是提高表面耐磨性能的主要因素。土壤中的磨粒磨損實質(zhì)是一種微切削與疲勞破壞的綜合作用過程，磨損過程形成的犁溝實際上是正應(yīng)力與表面切應(yīng)力共同作用的結(jié)果［11］，因此對于硬度很高的材料，在正應(yīng)力作用下抵抗磨損的能力較強，失重較小，在切應(yīng)力作用下會呈現(xiàn)疲勞層狀剝落現(xiàn)象，硬度越高這種剝落現(xiàn)象越明顯。因此耕作部件在土壤中的耐磨性能并不是與硬度成線性相關(guān)。

圖7 試樣的磨損表面形貌（50×）Fig.7 Surface morphology of wearing sample（50×）

淬火以后的針狀馬氏體組織實際上是過飽和的鐵素體，引起晶格的嚴(yán)重畸變，同時伴隨著大量的晶體位錯和孿晶等，因此具有極高的硬度?；鼗鹨院笸ㄟ^碳化物的析出降低了馬氏體的過飽和度，減小晶格畸變，內(nèi)應(yīng)力得到消除，組織更趨向于平衡狀態(tài)，因此回火馬氏體的硬度略低于淬火馬氏體。但是從磨損試驗結(jié)果可以看出，回火試樣比淬火試樣更耐磨。很顯然，在抵抗低應(yīng)力磨粒磨損的過程中，材料的組織既要有一定的硬度，同時還必須具有一定的韌性，同時抵抗正應(yīng)力和切應(yīng)力的作用才能具有更好的耐磨性能。正是由于這個原因，回火馬氏體的耐磨性能優(yōu)于淬火馬氏體。

通過摩擦磨損試驗分析發(fā)現(xiàn)，在相同的條件下，20鋼滲碳后淬火加低溫回火得到的表面硬化層，其耐磨性能是不經(jīng)過處理的20鋼的5倍，因此可以認(rèn)為，在土壤中既要求具有很好的耐磨性能，同時還必須經(jīng)受工作時的沖擊載荷的耕作部件，采用低碳鋼制造，并經(jīng)過滲碳、淬火和低溫回火處理是比較理想的選擇，對于提高耕作部件的使用性能，降低成本具有積極的意義。

4 結(jié)論

（1）材料的耐磨性能不但與材料的表層硬度有關(guān)，而且與材料的韌性相關(guān)。從抵抗摩擦磨損的角度來說，回火馬氏體組織兼顧硬度和韌性，比淬火馬氏體有更好的耐磨性能，是理想的耐磨組織。

（2）20鋼表面滲碳、淬火和回火以后的表層組織為回火馬氏體組織，可以承受耕作部件工作時土壤顆粒的沖擊和磨損，滿足其使用性能要求。

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