摩擦氧化物在鋼的高溫磨損中的形成和作用

楊子潤(rùn)，王樹奇，孫 瑜，龐紹平

(1.鹽城工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051;2.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

氧化磨損是一種重要的磨損形式和磨損機(jī)制［1－2］.目前大部分有關(guān)氧化磨損的研究都基于T.F.Quinn，F(xiàn).H.Stott等［3－4］提出的 Quinn 型氧化磨損理論，他們認(rèn)為氧化磨損只與氧化物有關(guān)，而與基體顯微組織及性能無關(guān).隨后的研究均證實(shí)了摩擦氧化物對(duì)磨損的減磨作用.然而，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)氧化物層不總是減輕磨損，氧化物不是唯一影響磨損的因素，而基體的顯微組織等對(duì)氧化磨損均產(chǎn)生影響［5－12］.研究人員發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象發(fā)生在相對(duì)嚴(yán)酷的工況或試驗(yàn)條件下［5－12］，并建議將氧化磨損和氧化輕微磨損進(jìn)行區(qū)別［13－14］.本研究對(duì)比分析3Cr3Mo2V鑄鋼和3Cr13鋼在環(huán)境溫度200℃和400℃下的干滑動(dòng)磨損行為，研究不同鋼種及顯微組織對(duì)摩擦氧化物的影響及其磨損行為和磨損機(jī)制的變化，探討摩擦氧化物在高溫氧化磨損中減磨的條件.

1 試驗(yàn)

磨銷(Φ 6 mm×12 mm)材料取自3Cr3Mo2V鑄鋼和3Cr13鋼鍛棒，對(duì)磨盤(Φ 70 mm×10 mm)采用C12MoV鋼.鑄鋼采用不氧化法中頻感應(yīng)電爐煉鋼工藝，當(dāng)鋼液溫度達(dá)1600℃時(shí)，插鋁脫氧后出鋼，澆包中預(yù)先放入稀土，采用沖入法對(duì)鋼液進(jìn)行變質(zhì)處理，在砂型中澆注楔形試樣.

磨銷試驗(yàn)材料的熱處理工藝、組織和硬度見表1.鑄鋼熱處理工藝:奧氏體化溫度1020℃，保溫20 min，油冷卻，獲得馬氏體組織，采用 200，550和700℃回火，保溫2 h，空冷;分別獲得回火馬氏體、回火屈氏體和回火索氏體.3Cr13鋼的奧氏體化溫度為950℃，保溫20 min，油冷，進(jìn)行200，600和750℃回火，保溫2 h，空冷，分別獲得回火馬氏體、回火屈氏體和回火索氏體.C12MoV鋼采用奧氏體化溫度1150℃，保溫1 h，油冷;550℃回火3次，每次保溫2 h，空冷;獲得熱穩(wěn)定性好的回火屈氏體組織(HRC=60).

表1 兩種鋼的熱處理工藝、組織和硬度

磨損試驗(yàn)在MG－200型銷盤式高溫磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.磨損試驗(yàn)參數(shù):環(huán)境溫度分別選擇200和400 ℃;載荷分別為 50，100，150，200，250 和 300 N;轉(zhuǎn)速為1 m·s－1;總行程為1.2 km.在磨損前銷試樣和對(duì)磨盤表面采用400目SiC砂紙研磨(表面粗糙度Ra=0.45 μm)，丙酮清洗并吹干.磨損結(jié)束后對(duì)磨銷進(jìn)行清洗和烘干，采用電子分析天平E180(精度為0.01 mg)稱量磨銷在磨損前后的失量.采用JSM－7001F型掃描電子顯微鏡對(duì)磨損表面和磨損剖面形貌進(jìn)行觀察與分析，采用 Rigaku D/max－2500/pc型X射線衍射儀分析磨損表面的物相.

2 結(jié)果與分析

2.1 磨損量

圖1為3Cr3Mo2V鑄鋼和3Cr13鋼的不同回火組織在環(huán)境溫度200℃和400℃時(shí)的磨損量.在200℃、載荷50～100 N時(shí)，3Cr3Mo2V鑄鋼和3Cr13鋼的各種回火組織的磨損量相近，隨載荷的增加兩種鋼各種組織的磨損量差異增大.在200℃時(shí)3Cr3Mo2V鑄鋼比3Cr13鋼具有高的耐磨性，且隨著載荷增加，磨損量變化規(guī)律不同.3Cr3Mo2V鑄鋼的回火馬氏體和回火屈氏體隨載荷從50 N增至100 N時(shí)，磨損量降低，且為最低值，隨著載荷的增加，略微提高.而回火屈氏體雖然在50～100 N降低，但隨著載荷增加，磨損量快速提高.3Cr13鋼隨著載荷增加磨損量更快提高，具有高的磨損量，遠(yuǎn)高于3Cr3Mo2V鑄鋼.其中3Cr13回火馬氏體與回火屈氏體的磨損量相近，前者略微降低，但明顯低于回火索氏體.在環(huán)境溫度 400℃時(shí)，3Cr3Mo2V鑄鋼和3Cr13鋼的各種組織隨著載荷增加，磨損量逐漸提高，在200 N時(shí)發(fā)生快速增長(zhǎng).在50～100 N時(shí)兩種鋼和各種組織的磨損量相近，超過150 N磨損量差異開始增大.可見，在同一鋼種內(nèi)，相同工況條件下，磨損量最小的為回火屈氏體組織，最大的為回火索氏體組織.且400℃高溫下3Cr13鋼具有比3Cr3Mo2V鑄鋼高的耐磨性.

圖1 兩種鋼不同回火組織在不同環(huán)境溫度中的磨損量

2.2 磨面物相

圖2為3Cr3Mo2V鑄鋼和3Cr13鋼分別在200℃，400℃的條件下磨面的 X射線衍射(XRD)圖譜.

圖2 兩種鋼在不同環(huán)境溫度時(shí)磨面的XRD圖譜

3Cr3Mo2V鑄鋼，在200℃、載荷50 N時(shí)，磨面僅有極少量的FeO形成;當(dāng)載荷達(dá)到及超過100 N時(shí)，幾種氧化物物相均在磨面上出現(xiàn)，并隨載荷增加，氧化物衍射峰的強(qiáng)度逐漸增加(圖2a).當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到400℃時(shí)，氧化物數(shù)量明顯增加，氧化物衍射峰強(qiáng)度要遠(yuǎn)超過鐵的衍射峰強(qiáng)度(圖2b).3Cr13鋼，在200℃時(shí)，磨面上僅發(fā)現(xiàn)微量的氧化物Fe3O4和Fe2O3形成(圖2c).400℃時(shí)，F(xiàn)e3O4和 Fe2O3的數(shù)量顯著增加;隨著載荷增加，氧化物衍射峰強(qiáng)度略增強(qiáng).可見，磨面上氧化物形成主要受環(huán)境溫度影響，載荷略微影響氧化物形成.但不同鋼種中形成的氧化物數(shù)量與鋼的化學(xué)成分密切相關(guān).

2.3 磨面剖面形貌

通過磨面剖面的形貌觀察，可以更清楚地了解摩擦氧化物層的厚度和形態(tài).圖3為3Cr3Mo2V鑄鋼在不同條件下的磨面剖面形貌.在200℃，50 N時(shí)，磨損剖面上幾乎觀察不到氧化物的存在(圖3a)，這與XRD的結(jié)果是一致的;當(dāng)載荷達(dá)到100 N及以上時(shí)，磨損剖面的部分區(qū)域上覆蓋有由顆粒組成的10 μm厚的氧化物層(圖3b);在400℃，50～200 N時(shí)，氧化物層變得非常致密，厚度在10 μm左右(圖3c);當(dāng)載荷達(dá)到250 N時(shí)，不同的回火組織上所形成的摩擦氧化物的形態(tài)有所差別，對(duì)于回火馬氏體和回火屈氏體，為單層氧化物(圖3d);對(duì)于回火索氏體，摩擦氧化物發(fā)生變形且向基體內(nèi)部延伸(圖3e).

圖4為3Cr13鋼在不同條件時(shí)的磨面剖面形貌.在200℃，50 N時(shí)，仍然沒有氧化物層(圖4a);直到較高載荷時(shí)，磨面的部分區(qū)域上才出現(xiàn)少量的厚度3 μm的氧化物層(圖4b).當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到400℃時(shí)，磨面的大部分區(qū)域上均可以觀察到氧化物層，厚度可達(dá)到15 μm左右(圖4c);當(dāng)載荷增加到200 N時(shí)，回火馬氏體和回火屈氏體發(fā)現(xiàn)有破碎的氧化物層生成(圖4d).但對(duì)于回火索氏體，摩擦氧化物發(fā)生變形且向基體內(nèi)部延伸(圖4e).

圖3 不同工況時(shí)3Cr3Mo2V鑄鋼磨損剖面形貌

圖4 3Cr13鋼在不同工況時(shí)的磨損剖面形貌

3 討論

通過分析，發(fā)現(xiàn)圖1中3Cr3Mo2V鑄鋼和3Cr13鋼在環(huán)境溫度200℃和400℃時(shí)，磨損量隨組織和鋼種的變化完全可以由摩擦氧化物的數(shù)量和基體狀態(tài)變化來解釋.

3.1 摩擦氧化物與磨損機(jī)制

從XRD結(jié)果可知:3Cr3Mo2V鑄鋼在200℃，50 N時(shí)，磨面僅有微量的 FeO形成;當(dāng)載荷達(dá)到100 N及以上時(shí)，幾種類型氧化物均在磨面上形成，且隨著載荷增加，氧化物略有增加，所形成的少量氧化物的厚度可達(dá)10 μm.對(duì)于3Cr13鋼，在200℃、荷載達(dá)到100 N以上時(shí)，磨面上僅發(fā)現(xiàn)微量的氧化物Fe3O4和 Fe2O3形成的1～3 μm氧化物層;到400℃時(shí)，氧化物Fe3O4和Fe2O3的數(shù)量顯著增加，厚度達(dá)15 μm左右.

鋼在磨損過程中，摩擦氧化物層的形成對(duì)磨損機(jī)制有著顯著的影響.當(dāng)無摩擦氧化物層時(shí)，磨損為金屬－金屬之間接觸;對(duì)磨件表面在外力作用下滑動(dòng)時(shí)，真實(shí)的接觸面積僅僅是表面的凸臺(tái)部分，接觸凸臺(tái)上受到的力往往超過鋼的屈服強(qiáng)度，在滑動(dòng)中接觸凸臺(tái)處發(fā)生屈服，出現(xiàn)局部塑性變形及撕裂，因此，磨損機(jī)制為粘著磨損.當(dāng)氧化物層厚度達(dá)到1～3 μm時(shí)，無法完全阻隔金屬－金屬接觸，仍為粘著磨損.當(dāng)氧化物層厚度達(dá)到10 μm，完全可阻止金屬之間的直接接觸和粘著，磨損量顯著降低，此時(shí)磨損機(jī)制為典型Quinn型氧化輕微磨損［1－2］.

然而，Wang S.Q.，Wei M.X.等研究［13－14］表明:磨損機(jī)制除與摩擦氧化物數(shù)量或厚度有關(guān)外，還與基體硬度或強(qiáng)度有關(guān).在存在足夠數(shù)量或厚度的摩擦氧化物條件下，基體有足夠硬度支撐氧化物時(shí)，磨損機(jī)制為Quinn型氧化輕微磨損.這種情況正符合3Cr3Mo2V鑄鋼回火馬氏體和回火屈氏體在200℃，100 N及以上時(shí)磨損機(jī)制.但是當(dāng)基體沒有足夠硬度，有兩種情況:① 低硬度組織，如回火索氏體;②在高溫、高載下的熱軟化，如3Cr3Mo2V鑄鋼在400℃較高載荷情況下，這時(shí)由于基體的低強(qiáng)度或熱軟化，發(fā)生嚴(yán)重變形，導(dǎo)致氧化物大量剝落，磨損量高.此時(shí)磨損機(jī)制已不是Quinn型氧化輕微磨損，而是具有高磨損量的氧化磨損機(jī)制，它在最嚴(yán)重的情況會(huì)出現(xiàn)氧化物層變形且向基體內(nèi)部延伸［10－12］.

3Cr3Mo2V鑄鋼回火馬氏體和回火屈氏體在200℃、荷載100 N及以上時(shí)，雖然只有少量的氧化物形成，但它們優(yōu)先在接觸凸臺(tái)處形成，且該處氧化物層厚度達(dá)到了10 μm，同時(shí)200℃回火馬氏體和回火屈氏體保持較高的硬度，因此，磨損機(jī)制為典型的Quinn型氧化輕微磨損.而回火索氏體組織由于較軟，在200～400℃磨損時(shí)發(fā)生顯著的塑性變形，加速氧化物剝落，導(dǎo)致高磨損量，此時(shí)磨損機(jī)制為氧化磨損.而且出現(xiàn)一個(gè)顯著特征，即氧化物發(fā)生變形且向基體內(nèi)部延伸(圖3e，4e)，說明回火索氏體的磨損量是高的.對(duì)比之下，回火馬氏體和回火屈氏體在400℃、荷載100 N以上時(shí)雖然硬度較高，但磨損時(shí)基體發(fā)生熱軟化，同樣產(chǎn)生顯著的塑性變形，加速氧化物剝落，導(dǎo)致高磨損量，故為氧化磨損.

圖5為3Cr3Mo2V鑄鋼和3Cr13鋼典型磨面形貌.在200℃下，3Cr3Mo2V鑄鋼低載時(shí)磨面上為粘著磨損的痕跡(圖5a);而3Cr13鋼粘著磨損的痕跡更明顯，且有少量的氧化物零星地出現(xiàn)在磨面(圖5b).Quinn型氧化輕微磨損的磨面出現(xiàn)覆蓋在磨面上的氧化物和少量剝落區(qū)(圖5c).在400℃出現(xiàn)的氧化磨損磨面上可觀察到致密的氧化物層和剝落區(qū);隨著載荷的增加，剝落坑的尺寸增大，磨面變得粗糙(圖5d).

圖5 典型磨損表面特征

3.2 鋼及顯微組織對(duì)氧化物和磨損行為的影響

在200℃時(shí)，3Cr3Mo2V鑄鋼各種組織磨損量首先在載荷50～100 N時(shí)出現(xiàn)下降.一般情況下，磨損量均隨載荷的增加而增加.這一反常現(xiàn)象的唯一的解釋是磨損機(jī)理的轉(zhuǎn)變，即由粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p微磨損.故回火馬氏體和回火屈氏體在載荷大于100 N后，摩擦氧化物的減磨作用導(dǎo)致磨損量隨著載荷的增加僅略微增加.而回火屈氏體由于軟基體導(dǎo)致氧化物剝落加劇，削弱了摩擦氧化物的減磨作用，屬氧化磨損，磨損量較快速提高.

相比之下，3Cr13鋼由于較高含鉻量，在200℃幾乎沒有或有微量摩擦氧化物，其減磨作用幾乎沒有，因此，3Cr3Mo2V鑄鋼由于存在摩擦氧化物的明顯減磨作用，磨損量和增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)低于3Cr13鋼.3Cr13鋼在200℃下為粘著磨損.根據(jù)Archard提出的粘著磨損的磨損公式:

式中:Wv為磨損體積;k為粘著磨損系數(shù);L為法向載荷;S為滑動(dòng)距離;H為磨銷(軟金屬)的硬度.由公式(1)可以得出，材料的磨損量正比于法向載荷和滑動(dòng)距離，反比于軟金屬的硬度.各種組織的磨損量隨載荷提高近乎呈線性增加，回火馬氏體略高于回火屈氏體，前兩者明顯高于回火屈氏體.可見，3Cr13鋼磨損量與載荷大致符合Archard公式.

400℃時(shí)，3Cr3Mo2V鑄鋼和3Cr13鋼的磨損行為與200℃時(shí)出現(xiàn)顯著不同.這時(shí)兩種鋼在磨損過程中均出現(xiàn)厚度達(dá)到10 μm摩擦氧化物，但同時(shí)在較高環(huán)境溫度、摩擦熱和力的作用，摩擦氧化物下的基體發(fā)生熱軟化，因此，摩擦氧化物的減磨作用取決于基體硬度和抗軟化能力［10］.可見，對(duì)于同一種鋼，回火索氏體耐磨性最差，回火屈氏體最高.回火屈氏體比回火索氏體具有較高的硬度，比回火馬氏體具有高的熱穩(wěn)定性，因此具有高的抗軟化能力，在磨損過程中可降低氧化物的剝落，而具有高耐磨性.3Cr13鋼回火屈氏體的耐磨性高于3Cr3Mo2V鑄鋼回火屈氏體，也是決定于3Cr13鋼比3Cr3Mo2V鑄鋼在400℃磨損時(shí)有更高的抗軟化能力，見圖6.

圖6 兩種鋼在400℃，200 N磨損后亞表面硬度分布

4 結(jié)論

1)200℃時(shí)，3Cr3Mo2V鑄鋼比3Cr13鋼具有高耐磨性，其磨損量在50～100 N時(shí)降低，回火馬氏體和回火屈氏體隨載荷增加，略微提高，且為最低值;而回火索氏體磨損量快速提高.3Cr13鋼隨著載荷增加磨損量更快提高，具有高磨損量;其回火馬氏體與回火屈氏體的磨損量相近，但低于回火索氏體.

2)3Cr3Mo2V鑄鋼在200℃形成的少量摩擦氧化物，對(duì)于回火屈氏體和回火馬氏體可以完全阻止金屬－金屬粘著，為氧化輕微磨損;在400℃形成大量氧化物，但基體發(fā)生熱軟化，為氧化磨損;對(duì)于回火索氏體在200～400℃，由于基體軟化，為氧化磨損.3Cr13鋼中高的鉻含量阻礙摩擦氧化物的形成，200℃為粘著磨損，400℃由于基體熱軟化，為氧化磨損.

3)對(duì)于同一鋼種，回火索氏體耐磨性最差，回火屈氏體最高.而3Cr13鋼回火屈氏體的耐磨性高于3Cr3Mo2V鑄鋼回火屈氏體，取決于前者比后者有更高的抗軟化能力.

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