潘麗飛, 雷志新, 嚴(yán)偉林,3*

(1.梧州職業(yè)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院, 廣西梧州543002;2.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院, 廣西南寧530004;3.廣西有色金屬及特色加工材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西南寧530004)

0 引言

鐵基合金是我國(guó)粉末冶金工業(yè)的重點(diǎn)研究對(duì)象,為了適應(yīng)市場(chǎng)的需求,在開(kāi)發(fā)鐵基粉末冶金材料時(shí),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(yīng)用于航空、汽車及摩托車零部件等領(lǐng)域[1]。

鉻元素價(jià)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(guó)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(qiáng)的親和力,可降低碳的擴(kuò)散系數(shù),阻礙奧氏體長(zhǎng)大,起到細(xì)化晶粒的作用[2-3],顯著提高了鋼材的強(qiáng)度及硬度[4-5]。含鉻鐵基粉末冶金材料在燒結(jié)過(guò)程中,鉻可均勻分布在材料中,除了顯著提高材料的抗拉強(qiáng)度外,還可降低材料的合金元素總含量[6]。在實(shí)際應(yīng)用中,機(jī)械零部件難以避免磨損的產(chǎn)生,但目前為止,關(guān)于鉻含量對(duì)高碳粉末冶金燒結(jié)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(cuò)綜復(fù)雜[7-8],通常硬度、強(qiáng)度、塑性、加工硬化和斷裂韌性等力學(xué)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(jī)理、厘清各個(gè)影響因素之間的關(guān)系,有助于鐵基粉末冶金材料的應(yīng)用。

碳化鉻在高溫下有良好的性能,且對(duì)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(guò)粉末冶金工藝制備碳含量為1.3%(質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)試樣摩擦磨損性能的影響,并探討其磨損機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(xué)成分見(jiàn)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(zhì)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^(guò)程在QM-PS4型行星式球磨機(jī)進(jìn)行,轉(zhuǎn)速為200 r/min,總球磨時(shí)間為4 h。球磨結(jié)束后,用孔徑為120目標(biāo)準(zhǔn)篩將坯料過(guò)篩,稱取適量坯料,添加少量聚乙二醇作為黏結(jié)劑,在研缽中研磨5 min,使黏結(jié)劑均勻地附著在坯料上。隨后裝入模具,并在QYL20型壓力機(jī)上冷壓成型,壓力700 MPa,保壓時(shí)間3 min。將壓制好的生坯放入ZT-40-20型真空碳管爐中燒結(jié),燒結(jié)溫度為1 100 ℃,保溫時(shí)間為90 min,燒結(jié)結(jié)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(guò)阿基米德排水法測(cè)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(xué)成分見(jiàn)表3。

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

表2 碳化鉻粉的化學(xué)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(yàn)方法及設(shè)備

試樣經(jīng)4.0%硝酸酒精溶液腐蝕后通過(guò)MOTIC-PA3MET型光學(xué)顯微鏡觀測(cè)顯微組織形貌。采用Rigaku D/MAX 2500V型X射線衍射儀檢測(cè)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(jì)測(cè)量試樣硬度,載荷為9.8 N,加載時(shí)間為15 s。試樣的耐磨損性能測(cè)試在HSM-2M型高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,對(duì)磨件為碳化硅陶瓷球,直徑為6 mm,硬度約78 HRC。試驗(yàn)載荷為30 N,往復(fù)距離為10 mm,往復(fù)速度為400 r/min,總試驗(yàn)時(shí)間為45 min,試驗(yàn)設(shè)備實(shí)時(shí)記錄摩擦因數(shù)。在磨損試驗(yàn)前,先對(duì)試樣表面進(jìn)行磨拋、清洗并烘干,用精度為0.1 mg的電子天平稱重(每個(gè)試樣至少稱5次,取均值)。試驗(yàn)結(jié)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(jié)果與討論

不同試樣的光學(xué)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(jié)階段的保溫時(shí)間足夠長(zhǎng),在隨爐冷卻時(shí),碳及其他合金元素有足夠的時(shí)間擴(kuò)散,滲碳體(Fe3C)析出,鉻的添加使得共析點(diǎn)發(fā)生左移[11],促進(jìn)珠光體轉(zhuǎn)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(qiáng),有利于促進(jìn)珠光體轉(zhuǎn)變。

圖1 不同試樣的光學(xué)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(duì)比如圖3所示。從圖3可見(jiàn),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(shì),這是由于鉻元素在球磨過(guò)程中有破碎和細(xì)化坯料的作用,改善了坯料的流動(dòng)性及壓制性[13],因此提高冷壓坯密度,促進(jìn)致密化[14],進(jìn)而提高燒結(jié)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(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的局部大塑性變形會(huì)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(duì)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(duì)比Fig.3 Comparison of wear rate and hardness of samples

磨損率[16]的計(jì)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(zhì)量,g;ρ為試樣密度,g/cm3;P為磨損試驗(yàn)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(jiàn),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(duì)應(yīng)關(guān)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(cè)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(jī)制基本相似,都以磨粒磨損為主導(dǎo),且犁溝較淺,均存在黏著與剝落坑。由于沿往復(fù)磨損方向受應(yīng)力而引起磨屑產(chǎn)生黏著和塑性變形,因此導(dǎo)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(rùn)滑情況影響[21-22]。通常來(lái)說(shuō),試樣硬度越高,其抵抗硬物壓入其表面的能力越強(qiáng),磨損不易進(jìn)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(jìn)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(dǎo)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(yàn)過(guò)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(jié)構(gòu)、物相組成及致密度都會(huì)影響材料的力學(xué)性能,其中一方面硬度、強(qiáng)度、塑性、加工硬化和斷裂韌性等力學(xué)性能都是材料磨損行為的重要影響因素[7,9]。當(dāng)鉻含量增加時(shí),一方面由于鉻元素與碳之間存在較強(qiáng)的親和力,減緩了碳在奧氏體中的擴(kuò)散,起到了一定的細(xì)化晶粒作用[2-3];鉻引起共析點(diǎn)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(yàn)過(guò)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(xué)性能達(dá)到較好的狀態(tài)。

3 結(jié)論

鉻元素會(huì)引起共析點(diǎn)左移,促進(jìn)珠光體轉(zhuǎn)變,在緩慢冷卻過(guò)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(dāng)鉻含量為8%時(shí),試樣的耐磨性最強(qiáng),其原因主要是試樣的硬度較高,且磨損過(guò)程中的加工硬化作用較強(qiáng)。