多向強(qiáng)應(yīng)變及退火處理對(duì)中碳低合金鋼磨粒磨損行為的影響

嚴(yán)偉林

（廣西大學(xué)a.資源環(huán)境與材料學(xué)院；b.廣西有色金屬及特色材料加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004）

0 引言

通過(guò)強(qiáng)塑性變形技術(shù)加工可以使材料獲得明顯的細(xì)晶強(qiáng)化效果[1]。有研究報(bào)導(dǎo)，以強(qiáng)塑性變形技術(shù)加工的材料硬度和強(qiáng)度會(huì)比其他技術(shù)加工有更大提高，因此也增強(qiáng)耐磨性[2-5]。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，以強(qiáng)塑性變形技術(shù)加工的材料，尺管能使其硬度和強(qiáng)度提高，但不能提高材料的耐磨性[6，7]。其實(shí)，強(qiáng)塑性變形技術(shù)相當(dāng)于預(yù)加工硬化。Richardson[8，9]和Khruschov[10]曾報(bào)道，通過(guò)預(yù)加工硬化提高金屬的硬度，但對(duì)耐磨性幾乎沒(méi)有影響。

材料的耐磨性對(duì)機(jī)械零部件使用的可靠性和壽命有顯著的影響。材料的磨損（尤其是磨粒磨損）會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[11]。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)必須考慮所選的材料的磨粒磨損特性，這對(duì)材料的實(shí)際應(yīng)用尤為關(guān)鍵。以強(qiáng)塑性變形技術(shù)加工的材料，盡管明顯提高硬度和強(qiáng)度，擔(dān)如果該材料耐磨性較差，也難以滿足實(shí)際應(yīng)用。

低合金鋼在工程中是一類重要的耐磨材料，耐磨料磨損性能屬于中等。例如，45Mn2鋼可以用來(lái)制備磨球、釬具等，且在汽車、拖拉機(jī)及普通機(jī)械制造中，用于制造萬(wàn)向接頭軸、車軸、連桿蓋、磨擦盤，蝸桿、齒輪和齒輪軸等。選擇45Mn2鋼為研究對(duì)象，經(jīng)多向鍛造及退火處理加工后，分析其顯微組織演變、力學(xué)性能及磨粒磨損性能。

1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)合金為直徑?30 mm的45Mn2鋼棒，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：0.36%C、0.19%Si、0.85%Cr和0.56%Mn，余量為Fe。首先將鍛造坯料切成55 mm長(zhǎng)的圓棒，然后進(jìn)行亞臨界溫度淬火處理（760℃×150 min，水淬），在第一、二和三道次鍛造前，試樣分別在600℃熱處理爐內(nèi)保溫30 min、10 min和10 min（以獲得最大程度的細(xì)晶強(qiáng)化且試樣不開裂）。使用空氣錘以大約5 s-1的應(yīng)變率在試樣x、y、z方向上依次反復(fù)鍛造，循環(huán)3次，每道次在每一方向的壓縮量大約為25%，再把試樣鍛成約26 mm×26 mm×57 mm的方塊，然后對(duì)鍛造試樣進(jìn)行400℃×180 min的退火處理（改善多向鍛造試樣的塑性，硬度和強(qiáng)度下降不太大）。普通粗晶試樣進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理（850℃×60 mm水淬和600℃×120 mm回火）。

硬度測(cè)量使用HVT-100顯微硬度計(jì)，載荷為9.8 N，加載時(shí)間為10 s。拉伸試驗(yàn)的試樣標(biāo)距長(zhǎng)度為15 mm、橫截面為2 mm×1 mm，采用Instron 8801材料試驗(yàn)機(jī)，在室溫下以2 mm/min的恒定速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

采用ML-10型銷-盤式磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行二體磨粒磨損試驗(yàn)，使用碳化硅砂紙（碳化硅顆粒尺寸大約為106μm，硬度為2585 HV），試樣相對(duì)于裝有砂紙的圓盤作螺旋線運(yùn)動(dòng)，每組樣品進(jìn)行3次磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)載荷為15 N，試樣尺寸為?4 mm×30 mm，試樣進(jìn)給量為4 mm/r，試驗(yàn)行程為9.68 m。以試樣磨損試驗(yàn)失重的倒數(shù)值來(lái)表征耐磨性。

利用光學(xué)顯微鏡表征試樣的顯微組織特征，采用S-3400掃描電子顯微鏡（SEM）觀察斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

試樣工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 試樣工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1可見，調(diào)質(zhì)處理試樣的強(qiáng)度較低，但延伸率較高，其強(qiáng)度和延伸率分別為883 MPa和13.4%。多向鍛造使試樣的強(qiáng)度明顯提高，而延伸率急劇下降，強(qiáng)度和延伸率分別為1081 MPa和4.6%。多向鍛造試樣退火處理后，延伸率得到明顯改善，強(qiáng)度有較小幅度下降，強(qiáng)度和延伸率分別為1034 MPa和10.1%。

圖2為亞臨界淬火處理試樣顯微組織，顯微組織為鐵素體-馬氏體雙相組織。圖3為多向鍛造試樣顯微組織，顯然，由較細(xì)小鐵素體晶粒及少量較粗大鐵素體晶粒組成。圖4為多向鍛造及退火處理試樣顯微組織，同樣也由較細(xì)小鐵素體晶粒及少量較粗大鐵素體晶粒組成，但晶粒有一定程度的長(zhǎng)大，而且較粗大的晶粒也較多。試驗(yàn)材料首先進(jìn)行亞臨界溫度淬火處理，使試驗(yàn)材料形成馬氏體-鐵素體雙相組織，對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行多向鍛造使晶粒細(xì)化，然后再進(jìn)行退火處理，變形組織中發(fā)生再結(jié)晶。由于馬氏體的碳含量要比鐵素體的高，以及馬氏體中析出較多的滲碳體和碳化物微粒阻礙再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，所以馬氏體的再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)要比鐵素體的慢，最終形成細(xì)晶粒和粗晶粒混合組織（馬氏體形成較細(xì)小的晶粒，而鐵素體形成較粗大的晶粒）。細(xì)晶粒提供高強(qiáng)度，粗晶粒使材料有較高的延伸率。

圖2 亞臨界淬火處理試樣顯微組織

圖3 多向鍛造試樣顯微組織

圖4 多向鍛造及退火處理試樣顯微組織

圖5為試樣的耐磨性及試樣磨損試驗(yàn)前后表面硬度的變化情況，調(diào)質(zhì)處理試樣、多向鍛造試樣和多向鍛造及退火處理試樣的耐磨性分別為40.7、40.5和55.5，與調(diào)質(zhì)處理試樣相比較，多向鍛造加工不能提高耐磨性，而多向鍛造及退火處理試樣的耐磨性提高了大約37%。調(diào)質(zhì)處理試樣、多向鍛造試樣和多向鍛造及退火處理試樣在磨損試驗(yàn)前表面硬度分別為322 HV、367 HV和360 HV，而調(diào)質(zhì)處理試樣、多向鍛造試樣和多向鍛造及退火處理試樣在磨損試驗(yàn)后表面硬度分別為370 HV、383 HV和403 HV。圖6為試樣的磨損表面形貌，從圖6可清楚看出，以溝槽磨損為主要方式。

金屬材料在塑性變形過(guò)程中會(huì)發(fā)生加工硬化。而且，金屬材料的摩擦磨損過(guò)程通常伴隨著塑性變形。磨粒磨損主要通過(guò)顯微切削和塑性變形兩種磨損機(jī)制發(fā)生。孫家樞曾指出，在很多磨損情況下，磨料與材料表面的接觸并不直接發(fā)生顯微切削或?qū)е铝鸭y的形成、擴(kuò)展和顯微剝落，這些磨料可能僅造成材料表層的塑性損傷，達(dá)到一定程度可造成塑性變形磨屑形成。同樣，邵荷生也認(rèn)為，在磨料磨損過(guò)程中，磨損表面由于塑性變形和加工硬化而脆性斷裂所造成的塑變磨損可能比切削磨損更為重要，而且塑變磨損比較普遍。材料的內(nèi)在特性，如硬度、強(qiáng)度和加工硬化是影響磨粒磨損行為的重要因素[8]。對(duì)比磨損試驗(yàn)前后試樣的硬度，磨損后試樣的磨損表面硬度增加。多向鍛造試樣磨損試驗(yàn)后，其硬度增加較少，這表明試樣在磨損過(guò)程中發(fā)生較低程度的加工硬化，因此耐磨性較差。然而，調(diào)質(zhì)處理試樣和多向鍛造及退火處理試樣磨損試驗(yàn)后，其硬度增加較多，這表明試樣在磨損過(guò)程中發(fā)生較高程度的加工硬化。調(diào)質(zhì)處理試樣盡管在磨損過(guò)程中發(fā)生了較高程度的加工硬化，但其磨損表面的硬度值較低，這表明試樣在磨損過(guò)程中發(fā)生的加工硬化不夠充分，導(dǎo)致耐磨較差。多向鍛造及退火處理試樣磨損表面的硬度值較高，這表明試樣在磨損過(guò)程中發(fā)生的加工硬化較充分。因此，材料的耐磨性不僅取決于磨損前的硬度，還取決于加工硬化和磨損后的硬度。

圖5 試樣耐磨性及試樣磨損試驗(yàn)前后表面硬度變化

圖6 為試樣磨損表面形貌

3 結(jié)語(yǔ)

以多向鍛造技術(shù)加工45Mn2鋼，強(qiáng)度和硬度明顯增加是由于細(xì)晶強(qiáng)化，但不能提高耐磨性。多向鍛造合金經(jīng)退火處理，延伸率得到明顯改善，但強(qiáng)度和硬度較高，耐磨性也獲得提高，較高的硬度和加工硬化使合金具有較高耐磨性。