碳化铬耐磨材料的制备及摩擦学性能研究

来源:用户上传      作者: 陈世涛

　　 [摘 要] 利用高温烧结工艺制备高碳化铬耐磨钢复合材料，利用金相显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪，分析碳化铬耐磨钢的组织及物相结构，并进行硬度测试。采用环块摩擦磨损试验机，考察干摩擦条件下，碳化铬耐磨钢铸件的摩擦磨损性能。实验结果表明，高碳化铬耐磨钢的物相组成主要为Cr7C3、Cr3C2和α-Fe三种物相，其组织结构为针状或条状结构。在1300°C加热60分钟保温10分钟条件下得到的试样，平均硬度值较高，有较好的力学性能。磨损率较低，整体摩擦系数较高，表现出良好的耐磨性能。
　　 [关键词] 碳化铬 耐磨铸钢 组织结构 摩擦磨损性能
　　
　　前言
　　磨损是工程构件的主要破坏方式之一， 同时也是机械零件失效的三种主要原因(磨损、腐蚀、疲劳)之一，各种机械零件的磨损所造成的能源和材料的消耗是惊人的。高锰钢和耐磨铸铁作为耐磨材料被广泛应用。近年来，高锰钢在理论研究和实际应用方面日益得到重视。有许多学者在超高锰钢成分设计、生产制造等方面做了大量工作，既提高了高锰钢的加工硬化能力、耐磨性以及制造加工性能外，又将高锰钢的应用领域拓展到高强度高塑性钢领域[1]。
　　不断开发性能更好的耐磨材料，以提高生产效率，降低生产成本，节约资源和能源，这具有十分重要的意义。
　　中碳低合金耐磨铸铸钢由于合金元素含量较低，具有高硬度、高耐磨和良好的韧性配合，工艺简单，成本低廉，获得了广泛应用，成为近年来发展的热点在各种形式的合金铸钢的成份中，碳是影响衬板材料力学性能，如硬度、冲击韧性的主要元素；铬则是合金耐磨铸钢常用的主要合金元素，但我国铬资源比较短缺，因此本文研制碳铬系合金铸钢，探讨碳铬含量对试验钢力学性能(硬度、冲击韧性)及耐磨性的影响。由于通过控制化学成份和适当的热处理得到马氏体或马氏体―贝氏体组织，具有良好的耐磨性。
　　1 实验方法和内容
　　1.1 试验过程简图
　　1.2 实验材料制备
　　1.2.1 成分设计
　　实验以美国SAS公司的高性能SA1750CR碳化铬耐磨钢为设计依据，耐磨钢的元素含量设计为：Cr：45%、C：6.5%、Mn：1.5%，余量为Fe。由于耐磨钢中的Cr是以碳化铬形式存在硬质强化相，固实验选用Cr3C2粉末、纯Fe粉和Fe-Mn合金粉为原料，按照复合粉体的混合比例，设计其配比为Cr3C2：51.92wt%、纯Fe粉：46.08wt%、Fe-Mn粉：2wt%。实验采用球磨法混料12h，干燥后备用。
　　1.2.2 耐磨钢的制备
　　加热炉为SX3-6-14快速升温电阻炉，最高温度1400°C。实验时预设定好最高加热温度和保温时间，实验完成后随炉冷却至室温。
　　1.3硬度测试
　　1.3.1 洛氏硬度测试
　　实验采用时代TH300硬度计洛氏硬度计和数字自动转塔LCD显微维氏硬度计，测试不同条件下试样的硬度值并进行对比，研究不同条件对材料的硬度的影响，试样与金相试样相同。测试条件为150kN，保压3秒，每组试样测六次，最后求硬度平均值。
　　1.3.2 维氏硬度测试(HV)
　　采用HXD-1000TM/LCD数字式显微硬度计测定维氏硬度。以一定的试验力，将两相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头压抛光处理后的试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，测量压痕两对角线长度，用压痕单位面积承受的试验力表示维氏硬度值。本次试验选择了不同的试验力进行测定，以0.3mm/s的加载速度施加载荷，保持试验力20s，同一试样上测试压痕点数6个。显微硬度值按下列公式进行计算：
　　HV=
　　式中：HV为维氏硬度值(N/mm2)，F为试验力(N)，d为压痕两对角线的平均值(mm)，α为金刚石压头相对面夹角(136°)。
　　1.4金相组织观察
　　本实验采用OLYMPUS GX51金相显微镜，观察耐磨铸钢试样的金相组织，研究组织和性能之间的关系。金相试样制备：取样*人工研磨水冲洗*抛光*水冲洗*酒精棉球清洗*烘干*浸蚀*水冲洗*酒精棉球清洗*烘干*观察。用金相显微镜采集系统观察至清晰的组织并照相分析。浸蚀剂：4%的硝酸酒精，浸蚀时间：10s左右。
　　1.5 XRD衍射成分分析
　　X射线衍射仪主要用于材料相结构分析。所用仪器为日本理学(Rigaku)公司D/Max-3B型X射线衍射仪。利用Origin70软件和MDI jade软件对衍射结果进行处理分析。
　　1.6摩擦磨损试验
　　实验仪器为M2000型磨损试验机。实验条件：转速(r)：200r/min摩擦用钢环直径(D)为40mm，载荷(F)为200N，每个试样实验时间(t)为60min。实验主要是将不同条件下制备的试样在试验机上进行摩擦磨损试验，试样尺寸规格：10×10×20mm试样表面应打磨的较平整并将要进行试验的一面抛光。试验前先将所有试样在超声波仪器中用无水乙醇清洗(至少30min)，再放入60℃的干燥箱中干燥(至少12小时)。干燥后称量磨损前的质量(每个至少三次，取平均值)，然后进行摩擦磨损试验，试验时记录实验数据，试验后同样将试样进行清洗干燥，干燥后称量磨损后的质量(每个至少三次，取平均值)。
　　根据所选取的磨损试验方法和磨损材料的不同，可选用不同的耐磨性能评定方法，以期获得精确可靠的实验数据，本实验利用称重法进行耐磨性能的评定[1]:即利用电子天平分别测量实验前后的试样的质量，计算出质量变化，从而来评定铸件材料的耐磨性能。
　　磨损率(Wear rate)是评定材料耐磨性能的重要指标，可以用来表征材料在不同加载条件，不同行程下的磨损量大小，其计算公式如下所示：
　　磨损率：Wear rate=Δm/F・L
　　式中：Δm为磨损失重，单位mg，N为摩擦磨损试验时载荷，单位N，L为摩擦行程，单位m。
　　摩擦系数μ按下列公式进行计算：
　　摩擦系数
　　其中，M为摩擦力矩(N・m)；N为载荷，200N；R为圆环半径，0.020m。
　　根据所得到的数据结果计算磨损率，然后对磨损试样进行扫描电镜试样，观察表面形貌并分析机理。摩擦磨损实验后，用扫描电子显微镜对磨损表面的微观组织形貌进行观察分析，确定不同试样在不同实验条件下的磨损情况和磨损机制。
　　2 试验结果和分析
　　2.1 硬度测试
　　2.1.1 洛氏硬度测试
　　图2.1为洛氏硬度测试结果，可以看出，由于实验条件不同，所制备的试样的硬度也不同，升温时间和升温温度对铸件硬度的有明显影响。铸件制备过程中，升温时间过长，在高温情况下会发生氧化而影响组织成分，对硬度也会发生影响。由上图可知相同最高温条件下， 60min条件所获得铸件硬度相对较高。另一方面，比较60min、120min、180min相同升温时间下，最高温也应选择适当的温度。对于一号试样最高温1250°C条件下试样无法成功制备，然而温度过高也不好，1300°C时所制备的铸件硬度较高。综述可得，二号(1300°C/60+10)和五号(1360°C/60+10)试样获得的硬度较高。
　　2.1.2 氏硬度测试(HV)
　　对于不同试样的维氏硬度的测定结果见图2.2。可以看出，同一种试样在随应力增加的情况下，其硬度变化趋势为先升高后降低然后趋于平稳。另一方面，同一种应力测试条件下，其硬度变化和洛氏硬度测试变化情况基本吻合。

　　2.2金相组织分析
　　在不同实验条件下制取的碳化铬耐磨钢试样的金相组织中可以看出，出现白色针状和条块状组织为碳化铬，它存在与Fe基体之中。我们所希望的是能得到独立的而非相互融合的碳化铬组织，对于1300°C温度的二号、三号、四号试样，二号试样碳化铬组织较均需，为针状及长条状且较清晰，相互熔融状态较少。碳化铬组织能起到很好的固定作用，类似于钉扎效应，能有效提高耐磨性。四号试样组织不均匀，且有较多碳化铬相互熔融。而三号试样情况则介于两者之间。
　　对于1300°C温度下制备的五号、六号、七号三种试样，五号和七号组织较均匀，二号和五号组织结构较为相似，但由于温度不同，结构又稍有不同。七号试样组织较均需，但其硬度结果并不是最好，可能是由于升温时间过长导致部分发生氧化的原因。综上所述，结合其硬度测试结果可知，熔融较少且分布较均匀的细长条或针状的碳化铬组织，有利于提高碳化铬耐磨钢的抗磨损性能。
　　2.3 XRD衍射成分分析
　　X射线衍射仪主要用于材料相结构分析。所用仪器为日本理学(Rigaku)公司D/Max-3B型X射线衍射仪。利用Origin7.0软件和MDI jade软件对衍射结果进行处理分析。本试验主要对力学性能较好的二号(1300°C/60+10)和五号(1360°C/60+10)试样进行X射线衍射分析。从结果可以看出，耐磨钢的物相组成主要为Cr7C3、Cr3C2和α-Fe三种物相，Cr7C3化合物相的生成，表明经高温烧结并保温后，部分Cr3C2相发生了转变。从金相组织分析可以看出，Cr7C3化合物相依然为针状或条状，由于Cr7C3、Cr3C2均为高硬度碳化铬相，对硬度和耐磨损性的提高显然是十分有利的。
　　3 碳化铬耐磨钢摩擦磨损特性研究
　　3.1 对磨损的一般认识
　　Nam.P.Su将磨损分为两天类：一类为由材料机械性能决定的磨损，另一类为由化学过程和热激活过程控制的磨损。前者又包括五种类型的磨损即:滑动磨损(剥层磨损)、微动磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损(固体颗粒冲击)和疲劳磨损;后者包括四种磨损类型:溶解磨损、扩散磨损、氧化磨损及腐蚀磨损。
　　3.2磨损试验结果及分析
　　3.2.1磨损率和摩擦系数
　　在M-2000型磨损试验机上，分别对二号、三号、四号、五号、七号试样分别进行摩擦磨损实验，摩擦副为GCr15钢环。实验转速(r)：200r/min，钢环直径(D)：40mm，施加载荷(F)：200 N，摩擦磨损时间(t)：60min。利用电子天平分别称出个试样在磨损前后的重量，获得质量差，从而计算磨损率。图3.1给出了磨损率柱状图，可以看出，相同的实验条件下，二号试样(1300°C/60+10)和七号试样(1360°C/180+20)的磨损率几乎一致，四号试样由于试样多孔磨料粉末进入无法比较。其中三号试样(1300°C/120+20)的磨损率最大。由此可知，二号试样和五号试样表现出较好的抗磨损性能。考虑其综合力学性能，二号试样(1300°C/60+10)优于五号1360°C/180+20)试样，实验结果与硬度的测试结果相一致。
　　图3.2为试样在M-2000型摩擦磨损试验机上测得的摩擦系数随时间的变化曲线。由图中可以看出五种试样的摩擦系数的变化情况。所有试样的摩擦过程可以分为三个阶段：第一阶段为起始阶段，表现出摩擦系数随时间而迅速下降；第二阶段摩擦系数随时间有波动性的变化，但总体呈上升变大的趋势，我们称之为磨合阶段；第三阶段为稳定摩擦阶段，摩擦系数随时间变化缓慢，并趋于平稳，最后达到稳定摩擦系数。由于试样有气孔的存在，使得该阶段存在个别波动稍大的特例。
　　另外，由图3.2也可以看出，二号试样和三号试样摩擦系数整体较高，而且三号试样在趋于平稳时有稍下降趋势，而二号试样呈稍上升趋势。其中七号试样摩擦系数整体较低。四号、五号试样情况则介于其中。
　　综上所述，由磨损率和摩擦系数的分析可以比较出，二号和三号试样摩擦性能较好，且综合其力学性能分析，二号试样(1300°C/60+10)要优于三号试样(1300°C/120+20)。相比较两者而言，由于制备时间不同，120min升温时部分会发生氧化，组织也稍有不同，造成这种现象。同时，也可以看出摩擦磨损是一个非常复杂的过程。
　　3.2.2 磨损区和未磨损区成分分析
　　摩擦磨损试验后，对试样的进行扫描电镜观察，同时利用X-射线分析磨损区和未磨损区的成分。采集条件：加速电压：20.00keV，活时间：28秒，出射角：35.00度。由表3.3可以看出，磨损区Fe含量有所增加，其它成分变化不大。造成这种现象的原因是耐磨钢的硬度较高，与之配副的材料发生材料了转移。
　　3.2.3试验结果的影响因素分析
　　a．摩擦实验外部环境：由于实验时，外部环境相同，故非外部环境影响。
　　b．材料的成分方面：该实验试样都是有相同的配置，材料成分含量都是相同的，因此上述试样的耐磨性和成分无关。
　　c．试样本身：由于试样在实验室有限条件下制备，试样铸件有一定的孔，实验过程中可能会有磨料粉末进入，虽然实验前后都经过长时间的超声波清洗，但可能还会有少许残留，造成一定的影响。
　　d．试验钢的组织方面：由于试样制备的条件(温度、时间)不同，使试样的微观组织结构不同，力学性能也不同，结合各试样的组织图片和力学性能结果分析，这是造成其磨损性能不同的主要原因。
　　 其中，二号试样组织较均匀，长条状和细针状的碳化铬组织较多，弥散效果好，能起到一定的钉扎效应。使其力学性能和摩擦磨损性能有效提高。综上所述，影响实验中相同成分的铸件试样耐磨性的主要因素是试验钢的组织结构。
　　3.3 试样磨损形貌及磨损机理分析
　　五个试样分别在M-2000型摩擦磨损试验机上进行60分钟摩擦磨损试验，经过无水乙醇在超声波仪器中清洗并干燥后，在电子分析天平上称量后，在扫描电镜下扫描磨损面。
　　由各试样磨损面的图片对比可发现，二号试样和五号试样的磨损面较平整，磨损较轻。其中二号试样出现较轻的犁沟，而五号试样只出现极轻的疲劳磨损。四号试样磨损最严重，有严重的疲劳剥落现象发生，主要是微观断裂磨损机理，同时也伴随着犁沟的出现。对于三号试样，其磨损机理主要是以疲劳剥落为主。七号试样则是犁沟和疲劳剥落同时发生。
　　4 结论
　　1. 高碳化铬耐磨钢的物相组成主要为Cr7C3、Cr3C2和α-Fe三种物相，其组织结构为针状或条状结构。
　　2. 实验结果表明，二号试样(1300°C/60+10)和五号试样(1360°C/60+10)的平均硬度值较高，有较好的力学性能，且二号要优于五号试样。
　　3．相同摩擦磨损实验条件下，二号试样(1300°C/60+10)和七号试样(1360°C/180+20)的磨损率几乎一致，四号试样由于试样多孔磨料粉末进入无法比较，三号试样(1300°C/120+20)的磨损率最大。由此可知，二号试样和五号试样表现出较好的抗磨损性能。
　　4. 根据摩擦磨损试验及对磨损面的扫描电镜分析可知，碳化铬耐磨钢二号和五号试样的磨损面较平整，表面只有少量的疲劳磨损和较轻的犁沟。磨损率较低，整体摩擦系数较高，表现出良好的耐磨性能。升温时间长的三号、四号试样有严重的疲劳剥落现象发生，主要是微观断裂磨损机理，同时也伴随着犁沟的出现。
　　参 考 文 献
　　[1]徐雪霞，白秉哲.我国贝氏体耐磨铸钢的发展及应用[J]，北京：铸造技术 2008
　　[2]丁晖，陈恒新，力玉海，车殿科.中碳低合金耐磨钢及其磨料磨损行为的研究[J]
　　[3]王洪发.金属耐磨材料的现状与展望[J].铸造，2000，(增刊):57.
　　[4]丁晖，陈恒新，力玉海，车殿科.中碳低合金耐磨钢及其磨料磨损行为的研究[J]
　　[5]刘菊东，陈康敏，侯达盘，曾伟民，王大镇，许志龙.40Cr钢磨削淬硬层的磨损试验.金属热处理2008，33(2)
　　[6]刘洪涛.不同热处理条件下45# 钢与40Cr钢摩擦学性能比较[J]. 润滑与密封.2007，32(7)

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