18Cr2Ni4WA钢渗碳层边界润滑磨损特性

摘　要：采用18Cr2Ni4WA钢，在气体渗碳炉中，碳势为1.0%，920℃的条件下进行5h渗碳，对试样重新加热淬火，并通过回火、冷处理等方法改变渗层中的奥氏体量。研究了渗层中的奥氏体在摩擦磨损过程中的相变行为及相变对金属间边界润滑磨损特性的影响。
关键词：摩擦诱发马氏体相变；磨损；边界润滑；渗碳

磨损是最常见的机械失效形式之一，长期以来，开发新型的耐磨材料和采用适当的处理提高零部件的磨损寿命，一直是材料学的重要研究内容。磨损是极复杂的失效过程，受材料自身特性、工件的工作环境、摩擦副的匹配、相对滑动速度、应力的大小与作用方式和工件表面状态等诸多方面的影响，因此给研究磨损问题带来很大困难。摩擦是不可缺少和不可避免的事情，人们根据需要来设法增大或减小物体间的摩擦，而磨损是摩擦导致的必然结果。生产中为减小机件的磨损，保证机械正常运行，除要改善工件的工作环境、减小摩擦系数外，还要采用适当的材料。摩擦过程中由于有热量产生和相互间的作用力，因此机件常受高温和应力的作用，这种作用对材料的磨损特性有很大影响。金属材料的磨损特性与其显微组织、物相种类及各相所占的比例有很大关系，尤其是那些在摩擦过程中的不稳定相，因其在摩擦时会发生相变或其他变化，这种影响就更大。此变化如何影响材料的磨损过程及耐磨性，始终是材料学者所关注的问题。奥氏体是最常见的室温不稳定的、且是钢材中常存在的物相之一，研究它在摩擦过程中的行为是有重要意义的。本文采用18Cr2Ni4WA钢，采用二维控制卧式气体渗碳炉，在碳势为1.0%和920℃的条件下进行气体渗碳5h，对获得样件重新加热淬火，并通过回火、冷处理等方法改变渗层中的奥氏体量，在不同条件下进行渗碳层与其它钢材之间的金属间临界润滑磨损试验，来考察原奥氏体含量、应力大小对材料耐磨性的影响，利用必要的检测方法分析它在摩擦过程中的相变行为及其对材料耐磨性的影响规律。意在给证明目前颇有争议的关于“奥氏体对耐磨性影响作用”问题提供一些试验依据。

1　试验内容及方法

1.1　试样制作

不同奥氏体含量试样的制作：18Cr2Ni4WA钢化学成分见表1。在二维控制卧式气体渗碳炉中，碳势为1.0%和920℃的条件下进行气体渗碳5h，渗层深度0.9mm，试样为ML-10型磨料磨损试验机用的标准试样，对获得样件重新加热到780℃奥氏体均匀化后油淬，二次淬火的保护碳势也为1.0%。将淬火后试样通过回火、冷处理等方法改变渗层中的奥氏体量，工艺参数见表2。

表1　18Cr2Ni4WA钢化学成分质量分数 w（%）
CCrNiWSiMnSP0.211.523.451.010.220.440.0030.010
表2　ML-10磨损试样淬火工艺和磨损试验外加载荷
工艺序号回火及冷处理温度／℃磨损试验外加载荷／Pa11807.56×10^{421801.323×10531801.89×1054-207.56×1045-201.323×1056-201.89×1057-807.56×1048-801.323×1059-801.89×10510-1967.56×10411-1961.323×10512-1961.89×105
注：渗碳工艺为920℃，渗碳5h，碳势1.0%，淬火工艺为780℃，均匀奥氏体化，油淬}

对磨金属盘的制作：将T10钢锻造后制成直径为200mm、厚为10mm的圆盘，780℃均匀奥氏体化后油淬，200℃回火1h后进行磨削加工，表面粗糙度Ra为0.16mm，硬度为60HRC。

1.2　试验方法

对上述各工艺获得的试样采用电解剥层分析法，跟踪检测渗碳层的碳含量分布、硬度分布和奥氏体含量及分布。

采用ML-10型磨料磨损试验机，将磨料砂纸支撑盘换成经上述处理的T10钢金属盘。进行18Cr2Ni4WA钢渗碳试样渗碳层与T10金属盘间喷油雾润滑磨损试验，试验时，限定相对滑动速度和相对滑动距离，改变外加载荷的大小见表2，考察每一工艺的试样渗碳层的磨损特性，同时用X射线晶体分析仪对每一次磨损表面的奥氏体量和奥氏体中的含碳量进行检测。奥氏体中含碳量检测是通过检测磨损表面奥氏体的点阵参数，根据点阵参数与碳含量之间的相互关系计算得出。磨损量用失重法表示，失重量用TG328A电光分析天平测量。

2　试验结果

渗碳层不同处理条件下的显微组织见图1。

图1　18Cr2Ni4WA钢渗碳层不同处理条件下的显微组织　×250
（a）　180℃回火，针状马氏体＋75%奥氏体
（b）　－80℃冷处理，针状马氏体＋38%奥氏体

电解剥层分析检测结果：渗层中的碳含量分布见图2。渗层中的硬度分布检测结果见图3。不同处理工艺下，每层中的奥氏体量及分布检测结果见图4。

图2　18Cr2Ni4WA钢渗层中的碳含量分布

图3　经不同工艺处理的18Cr2Ni4WA钢渗碳层硬度分布

图4　经不同工艺处理的18Cr2Ni4WA钢，电解剥层测得渗层奥氏体分布

磨损试验过程中，每次磨损后，试样磨损表面的奥氏体量及奥氏体中含碳量的检测结果：各种载荷下，磨损表面奥氏体量检测结果见图5。各种载荷下，磨损表面奥氏体中含碳量检测结果见图6。

图5　18Cr2Ni4WA钢未冷处理试样不同载荷时磨损表面奥氏体分布

图6　18Cr2Ni4WA钢磨损时渗层中奥氏体含量的变化
1.原始奥氏体2.　1.89×10^{5Pa磨损后奥氏体}

各种载荷和不同原始奥氏体含量下的渗碳层磨损试验结果：相同原始奥氏体含量及分布，不同载荷下的磨损试验结果见图7。不同原始奥氏体含量在相同载荷下的磨损试验结果见图8。未经冷处理试样磨损表面和电解剥层表面硬度跟踪检测结果见图9。

图7　18Cr2Ni4WA钢未冷处理试样不同载荷下的磨损特性

图8　18Cr2Ni4WA钢不同原始奥氏体量1.89×10^{5Pa下的磨损特性}

图9　18Cr2Ni4WA钢未冷处理试样磨损表面和电解剥层表面硬度跟踪检测结果

3　试验结果分析

3.1　渗层中奥氏体在摩擦过程中的诱发马氏体相变及影响因素

根据电解剥层与磨削剥层表面奥氏体量及硬度检测结果（如图5和图9）可知，在摩擦磨损过程中奥氏体发生了相变。X射线晶体分析测定表面奥氏体相对含量时，观察两者的奥氏体与马氏体的衍射峰强度的变化情况，结果表明随磨损试验载荷增大，相应的奥氏体衍射峰强度降低，而马氏体衍射峰强度增大，说明上述相变是马氏体相变。由图5进一步可以看出，诱发马氏体相变量的多少主要受两个方面因素的影响，即原始奥氏体量和磨损时载荷（摩擦接触面上的应力）大小的影响。一般规律是随原始奥氏体量增大、接触表面应力水平提高，摩擦诱发马氏体相变量增大。这是由摩擦诱发马氏体相变的驱动力和相变阻力的相对大小决定的，原始奥氏体量较大时，因淬火相变产生的压应力较小，奥氏体中的低碳区域较多，诱发相变的阻力较小，可能发生诱发马氏体相变的区域增多，有利于摩擦诱发马氏体相变，反之则不利于摩擦诱发马氏体相变；另一方面，在外加载荷较大时，因试样与对磨钢板的接触面积保持不变，导致名义接触面应力水平较高，在相对摩擦滑动时，接触面及其附近的应力、应变都较大，摩擦诱发马氏体相变驱动力较小，同时维持在诱发相变临界驱动力水平以上的微区域较多，使摩擦诱发马氏体相变量增大。

3.2　摩擦诱发马氏体相变对渗碳层磨损特性的影响

边界润滑磨损的特点是既有直接接触的区域，又有被薄油膜分隔的区域，从磨损表面分析结果来看，具有粘着磨损、磨料磨损和表面微裂纹油楔剥落等三重磨损特征，反应了这种磨损过程的复杂性。而奥氏体相变的产生，使磨损过程更加复杂，表现出其特有的性质。奥氏体摩擦诱发马氏体相变对渗碳层边界润滑磨损特性影响很大，诱发相变过程中，一方面使磨损表面及其附近硬度提高（如图9），有利于提高渗碳层的耐磨性；另一方面，诱发相变吸收了材料变形和裂纹产生和扩展的能量，使材料耐磨性得到提高。这个作用的大小受两个矛盾方面的控制，即摩擦诱发马氏体相变量的多少和外加载荷大小（接触表面应力大小）。摩擦诱发马氏体相变量增多，对耐磨性提高的幅度增大；而摩擦诱发马氏体相变需要有一个超过临界应力、应变的应力水平，在原始奥氏体量相同的情况下，应力水平越高，诱发马氏体相变量越大，有利于提高材料的耐磨性。但与此同时，接触面应力水平提高，材料表面微观变形增大，发生粘着的几率增大，磨料嵌入磨损表面的可能性增大，形成表面裂纹油楔旋壁梁压力增大，这些因素都将导致材料磨损量增大。上述两个矛盾因素共同作用的结果决定了材料耐磨性的大小。从图7的试验结果可以看出，在较低应力水平下，原始奥氏体量大的耐磨性较小；在较高应力水平下，原始奥氏体量大的耐磨性较大。由此可知，在确定选择构件材料的处理工艺、确定显微组织和相组成时，为提高其磨损使用寿命，必须首先考虑零部件的使用条件。只有显微组织与磨损条件相匹配时，才能达到预期的效果。

4　结论

（1）　奥氏体相在边界润滑磨损条件下会产生摩擦诱发马氏体相变。相变首先发生在低碳区，相变量随原始奥氏体量增大、摩擦接触面应力水平提高而增多。
（2）　诱发马氏体相变有利于提高材料的耐磨性，诱发马氏体相变量越多，对耐磨性提高的幅度越大。
（3）　不同的原始组织适合不同的磨损环境，在较低应力水平下，原始奥氏体少的冷处理试样耐磨性高；在较高应力水平下，原始奥氏体多的未经冷处理的试样耐磨性高。