鉻含量對鐵基合金組織及摩擦磨損性能的影響

潘麗飛, 雷志新, 嚴偉林,3*

(1.梧州職業(yè)學院機械與電氣工程學院, 廣西梧州543002;2.廣西大學資源環(huán)境與材料學院, 廣西南寧530004;3.廣西有色金屬及特色加工材料重點實驗室, 廣西南寧530004)

0 引言

鐵基合金是我國粉末冶金工業(yè)的重點研究對象,為了適應市場的需求,在開發(fā)鐵基粉末冶金材料時,都在力求以低成本獲取高性能。目前已研發(fā)出大量性能優(yōu)異的產(chǎn)品,逐步替代傳統(tǒng)的鑄鋼和鍛鋼,被廣泛應用于航空、汽車及摩托車零部件等領域[1]。

鉻元素價格低廉,添加一定量的鉻可大幅提高鐵基材料的性能,因此贏得了國內(nèi)外大量粉末冶金工作者的青睞。研究發(fā)現(xiàn),鉻元素與碳有較強的親和力,可降低碳的擴散系數(shù),阻礙奧氏體長大,起到細化晶粒的作用[2-3],顯著提高了鋼材的強度及硬度[4-5]。含鉻鐵基粉末冶金材料在燒結過程中,鉻可均勻分布在材料中,除了顯著提高材料的抗拉強度外,還可降低材料的合金元素總含量[6]。在實際應用中,機械零部件難以避免磨損的產(chǎn)生,但目前為止,關于鉻含量對高碳粉末冶金燒結鋼顯微組織及摩擦磨損性能的影響還不清楚,而影響材料耐磨損性能的因素錯綜復雜[7-8],通常硬度、強度、塑性、加工硬化和斷裂韌性等力學性能都可影響材料的摩擦磨損行為[7,9],因此,探討材料磨損機理、厘清各個影響因素之間的關系,有助于鐵基粉末冶金材料的應用。

碳化鉻在高溫下有良好的性能,且對基材有很好的附著力[10]。本文中也將以添加碳化鉻的方式引入鉻元素,通過粉末冶金工藝制備碳含量為1.3%(質量分數(shù),下同),鉻含量分別為5%、8%和10%的3種試樣,并從顯微組織、硬度及加工硬化能力等方面綜合分析不同鉻含量對試樣摩擦磨損性能的影響,并探討其磨損機理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料的制備

以商用鐵粉(400目)、鑄鐵粉(300目)和高純碳化鉻粉(300目)為原始粉末(化學成分見表1、表2),配制了碳含量為1.3%,鉻含量分別為5%、8%和10%的3種坯料,按球料質量比為10∶1加入球磨罐中,接著抽真空并通入高純氬氣(循環(huán)3次)?；炝线^程在QM-PS4型行星式球磨機進行,轉速為200 r/min,總球磨時間為4 h。球磨結束后,用孔徑為120目標準篩將坯料過篩,稱取適量坯料,添加少量聚乙二醇作為黏結劑,在研缽中研磨5 min,使黏結劑均勻地附著在坯料上。隨后裝入模具,并在QYL20型壓力機上冷壓成型,壓力700 MPa,保壓時間3 min。將壓制好的生坯放入ZT-40-20型真空碳管爐中燒結,燒結溫度為1 100 ℃,保溫時間為90 min,燒結結束后隨爐冷卻至室溫。制得5% Cr、8% Cr和10% Cr3種試樣,尺寸為12 mm×12 mm×3 mm。通過阿基米德排水法測得三者的密度分別為6.41、6.50、6.57 g/cm3,致密度分別為86.74%、88.20%、89.27%,鐵粉及鑄鐵粉的化學成分見表3。

表1 鐵粉及鑄鐵粉的化學成分Tab.1 Chemical composition of iron powder and cast iron powder

表2 碳化鉻粉的化學成分Tab.2 Chemical composition of chromium carbide powder

表3 各試樣的致密度Tab.3 Density values of samples

1.2 試驗方法及設備

試樣經(jīng)4.0%硝酸酒精溶液腐蝕后通過MOTIC-PA3MET型光學顯微鏡觀測顯微組織形貌。采用Rigaku D/MAX 2500V型X射線衍射儀檢測試樣的物相,靶材為Cu Kα,2θ的掃描范圍為30°～90°。采用AVH-5L型顯微維氏硬度計測量試樣硬度,載荷為9.8 N,加載時間為15 s。試樣的耐磨損性能測試在HSM-2M型高速往復摩擦磨損試驗機上進行,對磨件為碳化硅陶瓷球,直徑為6 mm,硬度約78 HRC。試驗載荷為30 N,往復距離為10 mm,往復速度為400 r/min,總試驗時間為45 min,試驗設備實時記錄摩擦因數(shù)。在磨損試驗前,先對試樣表面進行磨拋、清洗并烘干,用精度為0.1 mg的電子天平稱重(每個試樣至少稱5次,取均值)。試驗結束后,收集磨屑,并用超聲清洗儀清洗試樣,烘干后再次稱重。采用日立S-3400N型掃描電子顯微鏡拍攝磨痕及磨屑表面形貌,工作電壓為15 kV。

2 結果與討論

不同試樣的光學金相組織形貌如圖1所示。組織成分基本相同,主要為鐵素體、珠光體及貝氏體,不同之處在于,隨著鉻含量的增加,珠光體及貝氏體的組織占比逐漸增多。這是由于粉末冶金燒結階段的保溫時間足夠長,在隨爐冷卻時,碳及其他合金元素有足夠的時間擴散,滲碳體(Fe3C)析出,鉻的添加使得共析點發(fā)生左移[11],促進珠光體轉變,滲碳體以不同的形態(tài)分布在鐵素體中,冷卻后可形成珠光體及粒狀貝氏體組織,其余部分形成鐵素體組織[12]。不同試樣的XRD圖譜如圖2所示。從圖2可以觀察到鐵素體及滲碳體的存在。其中,鐵素體所在衍射峰隨著鉻含量的增加而逐漸增強,有利于促進珠光體轉變。

圖1 不同試樣的光學金相組織形貌Fig.1 Optical microscopic morphology of samples

圖2 不同試樣的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of samples

不同試樣的磨損率及硬度對比如圖3所示。從圖3可見,5% Cr、8% Cr和10% Cr試樣的磨損率分別為8.67×10-6、2.94×10-6、6.54×10-6mm3/(N·m),磨損前硬度分別為318、352、367 HV,磨損后硬度分別為377、409、399 HV。隨著鉻含量的增加,試樣的硬度也呈上升趨勢,這是由于鉻元素在球磨過程中有破碎和細化坯料的作用,改善了坯料的流動性及壓制性[13],因此提高冷壓坯密度,促進致密化[14],進而提高燒結密度及硬度。而耐磨損性能(磨損率)未遵守這一規(guī)律,原因是在磨損試驗過程中產(chǎn)生的局部大塑性變形會引起加工硬化,可以顯著提高試樣的硬度[15],顯然,8% Cr試樣具有較好的加工硬化能力,對提高材料的耐磨性有積極的幫助。

圖3 不同試樣的磨損率及硬度對比Fig.3 Comparison of wear rate and hardness of samples

磨損率[16]的計算公式為

(1)

式中：A為總磨損率,mm3/(N·m);m1、m2分別為試樣磨損前、磨損后質量,g;ρ為試樣密度,g/cm3;P為磨損試驗載荷,N;L為總磨損行程,m。耐磨性由試樣磨損后的硬度及加工硬化所決定。

不同試樣的磨痕表面及磨屑SEM圖像如圖4所示。從圖4可見,5% Cr試樣的磨痕寬度及磨屑尺寸最大,10% Cr試樣次之,8% Cr試樣最小,與磨損率有著良好的對應關系。其中,8% Cr試樣的磨屑尺寸較小,表明其產(chǎn)生于較淺的磨損深度,從側面印證了其具有更優(yōu)異的耐磨性[17],故以此為最優(yōu)鉻元素添加量。此外,3種試樣的磨損機制基本相似,都以磨粒磨損為主導,且犁溝較淺,均存在黏著與剝落坑。由于沿往復磨損方向受應力而引起磨屑產(chǎn)生黏著和塑性變形,因此導致冷焊的發(fā)生,并最終脫離形成剝落坑[18-19]。

(a) 5%Cr磨痕

圖5所示為各試樣的摩擦因數(shù)變化曲線,它描述了摩擦系統(tǒng)中物體之間接觸狀態(tài)[20],其大小受載荷、接觸面積及潤滑情況影響[21-22]。通常來說,試樣硬度越高,其抵抗硬物壓入其表面的能力越強,磨損不易進行,環(huán)形磨損表面也就越淺,摩擦副之間的接觸面積減小,摩擦因數(shù)減小,因此8% Cr和10% Cr試樣的摩擦因數(shù)均小于5% Cr試樣;隨著磨損的進行,持續(xù)產(chǎn)生的摩擦熱加重了磨損產(chǎn)物黏著,剝落坑逐漸增多,表面粗糙度增加,導致摩擦系數(shù)增加[23]。雖然8% Cr試樣磨損前硬度略低于10% Cr試樣;但其具有更優(yōu)的加工硬化能力,使得硬度大幅提升,磨損依舊停留在較淺的表面,磨屑尺寸較小,剝落坑尺寸較小且數(shù)量不多,因此8% Cr試樣的摩擦因數(shù)仍小于10% Cr試樣。

圖5 不同試樣磨損試驗過程中的摩擦因數(shù)變化Fig.5 Variation of friction coefficient of samples during wear experiment

材料的組織結構、物相組成及致密度都會影響材料的力學性能,其中一方面硬度、強度、塑性、加工硬化和斷裂韌性等力學性能都是材料磨損行為的重要影響因素[7,9]。當鉻含量增加時,一方面由于鉻元素與碳之間存在較強的親和力,減緩了碳在奧氏體中的擴散,起到了一定的細化晶粒作用[2-3];鉻引起共析點發(fā)生左移[11],珠光體及貝氏體的數(shù)量變多;此外,隨著鉻含量的增加,試樣的密度及致密度均有所提升,使材料的硬度提高。10% Cr試樣在摩擦磨損試驗過程中的加工硬化能力不佳,其耐磨性低于8% Cr試樣,因此,8%的鉻添加量可使其綜合力學性能達到較好的狀態(tài)。

3 結論

鉻元素會引起共析點左移,促進珠光體轉變,在緩慢冷卻過程中形成珠光體、粒狀貝氏體及鐵素體,隨鉻含量的增加,珠光體及貝氏體的組織占比逐漸增多,試樣的硬度提高。當鉻含量為8%時,試樣的耐磨性最強,其原因主要是試樣的硬度較高,且磨損過程中的加工硬化作用較強。