深冷處理對(duì)20CrNiMo滲碳鋼摩擦磨損性能的影響

黎 敏，倪 磊，向北平

(西南科技大學(xué)制造過程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010)

0 前 言

20CrNiMo是一種合金結(jié)構(gòu)鋼，一般在滲碳淬火后使用，因具有良好的綜合性能而被廣泛應(yīng)用于承受高應(yīng)力和循環(huán)載荷汽車齒輪、石油鉆探用牙輪鉆頭等零部件。隨著現(xiàn)代工業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)零部件的韌性、耐磨性等都有了更高的要求。由于工作環(huán)境惡劣，20CrNiMo滲碳鋼在原有熱處理工藝處理下，經(jīng)常出現(xiàn)不耐磨、壽命短等問題。深冷處理又稱超低溫處理，是一種在普通冷處理的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新技術(shù)。深冷處理作為常規(guī)熱處理的延伸，通常以液氮作為制冷劑，在-130 ℃以下對(duì)材料進(jìn)行處理，通過將工件置于特定的低溫環(huán)境中，改變材料的微觀組織，以此達(dá)到提高材料性能的目的[1]。研究表明，深冷處理可以有效提高金屬的硬度、韌性等力學(xué)性能，改善材料磨損行為，減小變形[1,2]。深冷處理無污染，處理成本低廉，操作簡單，屬于綠色熱處理技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)外對(duì)深冷處理對(duì)材料組織和性能的影響進(jìn)行了積極研究。鄧朝結(jié)等[3]研究了深冷處理對(duì)SH51車刀性能的影響，結(jié)果表明：深冷處理后車刀的硬度提高了1.2～2.3 HRC,刀具磨損明顯減少。Thornton等[4]對(duì)AISI M2等工具鋼的干滑動(dòng)磨損性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：深冷處理后，磨損率的平均改善水平有隨滑動(dòng)距離的增加而增加的趨勢(shì)。孫世清[5]對(duì)滲碳后的無碳化物貝氏體鋼進(jìn)行深冷處理，發(fā)現(xiàn)表面層硬度值大幅提升。Li等[6]研究了冷處理溫度對(duì)20CrNi2MoV滲碳鋼耐磨性的影響，發(fā)現(xiàn)深冷處理的效果優(yōu)于淺冷處理。深冷處理可以改善材料的摩擦磨損性能，但主要集中于高速鋼和工具鋼，對(duì)深冷處理后滲碳鋼的摩擦磨損性能研究較少。滲碳鋼表層組織由回火馬氏體、殘余奧氏體和碳化物組成，殘余奧氏體是一種非常有韌性的相，它的存在對(duì)承受高應(yīng)力和循環(huán)載荷的零部件有益[7，8]。因此，本工作選擇將20CrNiMo滲碳鋼在淬火和回火后進(jìn)行深冷處理，研究不同深冷處理工藝對(duì)20CrNiMo滲碳鋼的硬度、沖擊韌性和摩擦磨損性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為20CrNiMo滲碳鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 20CrNiMo鋼的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料的滲碳淬火具體工藝為：920 ℃×10 h強(qiáng)滲(碳勢(shì)為1.2% C)→920 ℃×1.5 h擴(kuò)散(碳勢(shì)為0.8% C)→720 ℃×2 h高溫回火→820 ℃淬火。淬火后，進(jìn)行200 ℃×2 h低溫回火(淬火+回火)。滲碳后滲碳層深度為1.2～1.6 mm，根據(jù)GB/T 6394-2017“金屬平均晶粒度測(cè)定方法”，控制中心晶粒度在5～8級(jí)。材料低溫回火后，根據(jù)GB/T 25744-2010“鋼件滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)”，控制殘余奧氏體等級(jí)為1～2級(jí)，殘余奧氏體量≤10%。常規(guī)熱處理試樣在室溫下放置2個(gè)月使殘余奧氏體穩(wěn)定化后，進(jìn)行深冷處理[8]。采用Keynes600復(fù)合智能換熱深冷處理設(shè)備，在-196 ℃下進(jìn)行深冷處理，降溫速率為2 ℃/min，并在深冷處理后進(jìn)行200 ℃×1 h回火[9](淬火+回火+深冷處理+回火)，具體方案如表2所示。表2中根據(jù)試樣的深冷次數(shù)和深冷時(shí)間，指定DCT-0 h為深冷0 h的深冷處理工藝(淬火+回火+回火)，DCT-1×3 h為深冷1次、每次保溫3 h的深冷處理工藝，DCT-2×3 h為深冷2次、每次保溫3 h，DCT-3×3 h為深冷3次、每次保溫3 h，DCT-1×6 h為深冷1次、每次保溫6 h，DCT - 1×12 h為深冷1次、每次保溫12 h。

表2 20CrNiMo鋼的熱處理工藝

1.3 性能測(cè)試

采用TH - 300型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量，在JBS - 300B型半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定沖擊韌性。沖擊試樣根據(jù)GB/T 229-2007“金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法”加工為標(biāo)準(zhǔn)V型試樣(10 mm×10 mm×55 mm)，V型口深度為2 mm，在常溫下測(cè)量試樣的沖擊功。利用JSM - 7610F掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣組織。金相試樣在打磨拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液常規(guī)腐蝕(腐蝕時(shí)間10 s)后觀察組織形貌，深度腐蝕(腐蝕時(shí)間40 s)后觀察碳化物分布。

利用Rtec - MFT3000型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在干摩擦條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。摩擦副為球 - 盤接觸，對(duì)摩材料為φ3 mm陶瓷球。室溫條件下，摩擦實(shí)驗(yàn)持續(xù)20 min，加載力20 N，速度10 mm/s，單次磨損距離20 mm。試驗(yàn)結(jié)束后，利用BX - 51型金相顯微鏡(OM)和摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)配套的白光三維掃描儀觀察磨痕形貌，并根據(jù)測(cè)得的磨痕橫截面積由式(1)、(2)計(jì)算磨損體積和相對(duì)磨損率：

(1)

式中：n為磨痕橫截面積采樣次數(shù)，S為磨痕橫截面積，L為磨損長度，V為磨損體積。

(2)

式中，η為相對(duì)磨損率，ΔV1為深冷處理后試樣的磨損體積，ΔV0為深冷處理前試樣的磨損體積。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織分析

圖1為20CrNiMo滲碳鋼在深冷處理前后的滲碳層顯微組織。圖1a為QT試樣的金相組織，試樣組織粗大，分布不均勻；圖1b、1c為DCT - 2×3 h和DCT - 1×6 h試樣的金相組織，試樣組織細(xì)化，并彌散分布著白色碳化物。對(duì)比圖1a與圖1b、1c可以發(fā)現(xiàn)，未深冷處理和深冷處理的試樣組織主要由回火馬氏體、殘余奧氏體和碳化物組成[9]，但經(jīng)過深冷處理的試樣組織發(fā)生了細(xì)化，分布更加均勻，并且分布著大量的微細(xì)碳化物。為了明確碳化物的分布，對(duì)試樣進(jìn)行了深度腐蝕。圖1d、1e、1f分別為QT、DCT - 2×3 h和DCT - 1×6 h試樣深度腐蝕后的金相形貌。如圖1d所示，未深冷處理的QT試樣組織中微細(xì)碳化物析出較少，分布不均勻，并存在有大塊的白色碳化物顆粒。從圖1e、1f可以看出，深冷處理后組織中出現(xiàn)了大量彌散分布的微細(xì)碳化物，其碳化物顆粒的尺寸也明顯小于未經(jīng)深冷處理的QT試樣，這可能是因?yàn)榇慊鸷蟮?0CrNiMo滲碳鋼在隨后的200 ℃回火過程中，過飽和馬氏體發(fā)生分解，基體中出現(xiàn)碳原子的偏聚，在部分區(qū)域析出微細(xì)碳化物。在深冷處理的過程中，由于溫度的降低，F(xiàn)e的晶格常數(shù)減小，促使碳原子從過飽和度較低的回火馬氏體中析出，并在微觀內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的位錯(cuò)、孿晶以及回火產(chǎn)生的微細(xì)碳化物等處偏析[10]。由于深冷處理溫度很低，碳化物擴(kuò)散變得困難，因此彌散分布于基體中。這些彌散分布的微細(xì)碳化物，在后續(xù)回火過程中擴(kuò)散聚合的同時(shí)，也作為了深冷處理后回火過程中碳原子偏聚的核心，最終形成了在基體上彌散分布的微細(xì)碳化物[11，12]。綜上，深冷處理促使20CrNiMo滲碳鋼中的組織細(xì)化，碳化物析出增多，彌散強(qiáng)化作用增強(qiáng)，從而使得20CrNiMo滲碳鋼的性能得到提高。

2.2 硬度與沖擊韌性

圖2為20CrNiMo滲碳鋼深冷處理前后的表面硬度和沖擊韌性。由圖2a可以看出，深冷處理對(duì)硬度的影響有限。深冷后DCT - 1×3 h、DCT - 2×3 h、DCT - 3×3 h和DCT - 1×6 h試樣的硬度與各自深冷前相比無明顯變化，縱向觀察深冷后試樣的硬度僅在DCT - 1×12 h試樣中有一個(gè)較為明顯的下降，與深冷后DCT - 3×3 h試樣相比硬度降低了1.0 HRC。如圖2b所示，深冷處理后的試樣沖擊韌性較未深冷處理的試樣(QT)均有不同程度的提高。多次深冷中，沖擊韌性隨深冷次數(shù)的增加而緩慢增加；單次長時(shí)間深冷中，沖擊韌性隨深冷時(shí)間增加先增加后減少。與未深冷處理的QT試樣相比，DCT - 3×3 h、DCT - 1×6 h試樣的沖擊韌性分別提高了7.0%和10.9%，DCT - 1×12 h試樣相較于其他深冷試樣沖擊韌性降低，但仍高于未深冷處理試樣。沖擊韌性的增加主要是因?yàn)樵嚇咏?jīng)深冷處理后組織細(xì)化，更多的微細(xì)碳化物析出，這些碳化物彌散分布于基體中，起到了彌散強(qiáng)化的作用，導(dǎo)致材料沖擊韌性提高[13，14]。單次深冷處理中，碳化物擴(kuò)散距離大，沖擊韌性變化明顯，隨著深冷時(shí)間延長，碳化物聚集長大[15]，對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用減弱，導(dǎo)致DCT - 1×12 h試樣的沖擊韌性隨之降低。

2.3 摩擦磨損性能

利用RTEC摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)經(jīng)不同深冷處理后的20CrNiMo滲碳鋼的摩擦磨損性能進(jìn)行了測(cè)試，每組工藝均進(jìn)行了3次以上試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見圖3。

如圖3a所示，未深冷處理的試樣QT的摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，在穩(wěn)定狀態(tài)摩擦系數(shù)隨著滑動(dòng)時(shí)間的增加緩慢上升，最終升至0.62左右。經(jīng)深冷處理后的試樣QT的摩擦系數(shù)明顯降低，摩擦系數(shù)曲線也更加平穩(wěn)，并且在穩(wěn)定階段，摩擦系數(shù)隨時(shí)間的增加緩慢降低。圖3b給出了不同深冷處理后試樣的平均摩擦系數(shù)和相對(duì)磨損率。QT試樣的平均摩擦系數(shù)為0.62，而深冷后的試樣的平均摩擦系數(shù)普遍降低，集中在0.50～0.55之間，其中，DCT - 1×3 h試樣的平均摩擦系數(shù)為0.50，降低19.4%。通過式(1)、(2)計(jì)算試樣的相對(duì)磨損率，可以看出，深冷處理顯著提高了20CrNiMo滲碳鋼的耐磨性能。多次深冷處理中，相對(duì)磨損率都保持在較低水平；單次深冷處理中，相對(duì)磨損率先減小后增大。深冷工藝為DCT - 3×3 h、DCT - 1×6 h時(shí)，試樣的耐磨性較好，磨損率相較于試樣QT分別下降了23.3%、25.9%。結(jié)果表明，深冷處理后的樣品的平均摩擦系數(shù)和相對(duì)磨損率與深冷處理前樣品QT相比明顯降低，深冷處理顯著提高了20CrNiMo滲碳鋼的摩擦磨損性能。

為了進(jìn)一步探索深冷處理對(duì)20CrNiMo滲碳鋼的摩擦磨損性能的影響，選擇了試樣DCT - 2×3 h和DCT - 1×6 h的磨痕表面進(jìn)行觀察，通過與未深冷處理試樣QT進(jìn)行對(duì)比，了解20CrNiMo滲碳鋼的磨損形式。圖4為20CrNiMo滲碳鋼深冷處理前后的三維、二維磨損輪廓和磨損形貌。觀察圖4a可見，未深冷處理試樣QT的磨痕較寬，有較大的起伏，磨痕寬度大于300 μm，磨痕深度約為2.3 μm，說明該試樣在摩擦過程中產(chǎn)生了大量磨屑，形成了磨粒磨損，材料的損傷嚴(yán)重。由圖4b、4c可以看出，深冷處理改善了試樣的摩擦磨損行為，明顯降低了20CrNiMo滲碳鋼的磨損體積。深冷處理后的試樣磨痕寬度小于250 μm，深度在2.0 μm左右。深冷處理后試樣的磨痕窄而淺，因此磨損體積小。分析認(rèn)為，深冷處理有效改善了20CrNiMo滲碳鋼的摩擦磨損行為，提高了20CrNiMo滲碳鋼的耐磨性。從圖4d,4e,4f中可以看出，深冷處理前后試樣表現(xiàn)出相似的磨損特征，具有起伏的犁溝，以及少量凹坑[16]。這表明試樣在摩擦過程中的磨損形式主要為磨粒磨損和黏著磨損[4,17]。通過對(duì)比試樣在深冷處理前后的磨損形貌，發(fā)現(xiàn)在QT試樣表面可觀察到更明顯的凹坑，說明該試樣表面剝落嚴(yán)重，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，材料的耐磨性較差。深冷后的試樣凹坑尺寸明顯小于深冷前的，表面也更加光滑平整，說明磨損輕微，體積磨損量也對(duì)應(yīng)較小，這也與磨痕的三維及二維輪廓圖相吻合。磨損形貌、三維及二維輪廓結(jié)果表明，深冷處理降低了試樣的磨粒磨損和黏著磨損的程度，提高了20CrNiMo滲碳鋼的摩擦磨損性能。

深冷處理對(duì)20CrNiMo滲碳鋼的摩擦磨損性能有重要影響，結(jié)合金相組織分析，對(duì)其微觀機(jī)理進(jìn)行推測(cè)。試樣在深冷處理時(shí)，回火馬氏體分解，基體組織細(xì)化，微細(xì)碳化物析出增多，碳化物顆粒尺寸減小。深冷處理后的試樣基體中彌散分布著大量的微細(xì)碳化物，碳化物是一種硬質(zhì)相，微細(xì)碳化物越多，碳化物顆粒尺寸越細(xì)小，材料的耐磨性越好[4,18]。在磨損過程中，細(xì)小的碳化物不易脫落，提高了材料的穩(wěn)定性和承載性[19]，減小了摩擦副間的應(yīng)力集中，降低了磨損率。同時(shí)，深冷處理后碳化物顆粒尺寸減小，脫落的碳化物顆粒作為磨粒導(dǎo)致的微觀切削和擠壓剝落現(xiàn)象減弱，也使得20CrNiMo滲碳鋼的磨損率降低。

3 結(jié) 論

(1)20CrNiMo滲碳鋼經(jīng)深冷處理后，顯微組織更加均勻，碳化物析出增多，彌散強(qiáng)化作用增強(qiáng)。

(2)深冷處理對(duì)20CrNiMo滲碳鋼表面硬度的影響有限，但可以提升20CrNiMo滲碳鋼的沖擊韌性。深冷處理并非時(shí)間越長效果越好，單次6 h深冷處理，沖擊韌性最好，相比未深冷試樣，其沖擊韌性增加了10.9%。單次深冷12 h時(shí)沖擊韌性反而降低，這可能與長時(shí)間深冷處理中，碳化物聚集長大、彌散強(qiáng)化作用降低有關(guān)。

(3)深冷處理后20CrNiMo滲碳鋼的摩擦磨損性能均優(yōu)于未深冷處理試樣。經(jīng)深冷處理后，20CrNiMo滲碳鋼在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中的摩擦系數(shù)曲線更加平穩(wěn)，在穩(wěn)定階段，摩擦系數(shù)隨時(shí)間的增加緩慢降低，表明材料的摩擦性能得到提高。深冷處理后試樣的平均摩擦系數(shù)和相對(duì)磨損率明顯降低，DCT - 1×6 h的相對(duì)磨損率最低，平均摩擦系數(shù)較低，其磨損率與QT相比降低了25.9%。DCT - 3×3 h的平均摩擦系數(shù)也較低，其磨損率與QT相比降低了23.3%。

(4)單次長時(shí)間深冷處理對(duì)20CrNiMo滲碳鋼磨擦磨損性能的提升效果高于多次短時(shí)間深冷處理。單次深冷處理中，沖擊韌性與摩擦磨損性能隨深冷時(shí)間的增加先提高后降低，深冷處理工藝為單次6 h時(shí)，材料的綜合性能最佳。