碳钢表面渗硼和激光热处理改性层的磨粒磨损性能和机理研究

摩擦学学报

TRIBOLOGY

Vol22,　No2

March,2002

碳钢表面渗硼和激光热处理改性层的磨粒

磨损性能和机理研究

胡金锁1,郝敬敏2,李治源1,王　莹1(1.军械工程学院弹药工程系,河北石家庄　050003;2.河北电大网络资源室,河北石家庄　050071)

摘要:采用固体渗硼与激光热处理复合工艺对45#钢试样进行表面改性,在45#钢表面得到完整的硼共晶层,采用扫描电子显微镜观察分析表面改性处理后的45#钢试样同GCr15钢对摩时的磨损表面形貌,并考察了其磨损机理.结果表明,经表面渗硼和激光热处理后,45#钢表层形成共晶化组织,相应的硼共晶表面改性层具有适当的硬度和韧性,因而其抗磨粒磨损性能明显改善;表面改性处理后的45#钢试样同GCr15钢对摩时呈现断裂磨损特征.关键词:45#钢;渗硼;激光表面处理;磨损机理中图分类号:TG156.87

文章标识码:A

文章编号:100420595(2002)0220150203

　　作为一种表面强化工艺,渗硼在机械制造业中得到了广泛应用.这是因为渗硼处理可使材料表面形成具有特殊物理性质的硼化物层,从而赋予材料表面很高的硬度和耐磨性.然而研究表明[1,2],由相变反应扩散形成的硼化物中的FeB和Fe2B相属于金属间化合物,其本身具有硬度高而脆性大的特点,而双相硼化物、单相Fe2B和基体的密度与热膨胀系数均不同,这就使得渗硼层内往往存在较大内应力,易产生裂纹.近年来人们业已成功开发了硼基共渗复合处理等[3,4]新工艺.本文作者采用激光对试样进行热处理,获得了综合性能良好的表面渗硼改性层,并考察了渗硼层的耐磨性能和磨损机理.

激光热处理设备为JRJ型连续激光处理机,采用功率2kW.通过黑化处理(磷化法)来增强金属表面对激光的吸收能力.对试样进行多道扫描,道间距-0.2mm.当扫描速度750mm󰃗功率1150W、min、

光斑直径2.5mm时得到完全共晶化的硼化物组织.

采用Q2100型自动金相试样切割机进行切割制样,试样尺寸10mm×8mm×10mm.选用DMP23A型自动金相试样磨抛机进行磨制和抛光,用3P试剂浸蚀.经过多次试验发现,最佳浸蚀温度和时间分别为60℃和1.5min.用4%的酒精溶液侵蚀试样后,采用显微镜观察基体组织.在71型显微硬度仪上测定改性层的显微硬度,载荷0.98N,加载时间15s.测得渗层厚度约为45Λm,硬度约为1200HV.1.2　磨粒磨损性能评价

采用MM2200型摩擦磨损试验机,下试样为经热处理的45#钢试块,偶件上试样为GCr15钢,试验条件为负荷490N、转速200r󰃗min.用感量为0.1mg的分析天平称量测定试块磨损质量损失.所用的磨料为粒度0.07mm的二氧化硅,平均硬度为1100HV.预磨1h后开始记录数据,每隔10min称量测定试块的磨损质量损失.

1　实验部分

1.1　试样制备

选用细化晶粒45#钢试样,将其在860℃下进行正火处理,然后进行固体渗硼处理(在700℃下装箱,900℃保温2.5h,水淬油冷),最后在170℃下低温回火0.5h.测得硼化物改性层的平均硬度为1523HV,组织为FeB(少量)+Fe2B,平均厚度约为105Λm.偶件选用GCr15轴承钢,首先进行球化退火处理(800℃保温4h,700℃保温5h,炉冷),测得平均硬度为198HB;制成试样后再进行淬火处理(860℃保温16min,油冷),最后在170℃下保温1h回火处理,测得的平均硬度为63.5HRC.

2　结果与讨论

2.1共晶化机理浅析

图(1和2)所示为完全共晶化的硼化物组织形貌

收稿日期:2001207224;修回日期:200129215󰃗联系人胡金锁,E2mail:wangying_111@yahoo.com.cn.作者简介:胡金锁,男,1971年生,在读博士生,目前主要从事电磁发射及表面工程研究.

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第2期胡金锁等:　碳钢表面渗硼和激光热处理改性层的磨粒磨损性能和机理研究151

Fig1　MicrostructureoforiginalsampleFig2　Microstructureafterlasertreatment　

图1　原始渗硼层显微组织图2　激光共晶化处理后显微组织

.可见,渗层在强激光加热作用下,渗硼层SEM照片

图(4和5)示出了2种试样的磨损表面形貌.可见:2种试样磨损表面均呈现断裂特SEM照片

表面开始微熔.在界面熔化的同时,由于激光加热产

生很大的内应力,硼化物针尖断裂并成为断续的Fe2B小块,因而增加了Fe2B与过渡区Χ相的界面面积,进一步加剧了Fe2B的熔化.

激光加热的能量绝大部分储存在材料的表层中,这些热量主要靠材料自身冷却.由于基体的厚度远大于渗硼层的厚度且加热时间短,冷却速度极快,使得晶核在进一步长大之前发生凝固,因而得到的晶粒非常细小,试样表面光洁.同时,靠近过渡区的基体热影响区发生相变.由于冷却速度极快,这部分基体具有针状马氏体组织(图2).

硼化物与基体过渡的相界面发生Fe2B+Χ共晶反应,然后再经由L+Fe2BΖΧ+Fe3(C、B)的包共晶反应生成Fe3(C、B)+Χ型共晶组织,还有可能直接发生LΖFe3(C、.B)反应,至1100℃共晶反应结束在激光加热条件下,由于液相的2个界面间存在浓度差,液相成分较大地偏离共晶成分而结晶出亚共晶组织或过共晶组织.理论上,平衡冷凝条件下的共晶组织应该是Χ+Fe3(C、B)共晶,但是激光加热冷凝过程是不平衡过程,包共晶反应结束后,少量Fe2B和极少量的FeB相来不及扩散转变,最终的组织为Α+Fe3(C、B)+Fe2B+FeB(极少量),从而使得显微硬度和脆性降低.新相的形成导致渗硼层硼原子浓度下降,硼原子向内层扩散,整个渗层厚度增加.2.2　摩擦磨损性能及机理

图3示出了渗硼及激光热处理后的45#钢试样与GCr15对摩时磨损质量损失随滑动距离的变化关系,其中L表示原始渗硼试样,Lm表示经过激光处理的试样.可以看出:经激光共晶化处理的试样耐磨性有所提高,当滑动距离为250m时,渗硼试样和激光处理试样的平均磨损质量损失分别为0.0046g和0.00326g.

Fig3　Wearingcurves

图3　磨损曲线简图

征;其中L试样表面脱落严重,磨痕深度及面积都较

大,表现出硬脆材料的磨损特征;而Lm试样由于断裂韧性较好,其磨损表面可见划伤、犁沟和翻边等迹象,磨损较为轻微.这是因为经激光处理后,渗硼层转变为硬度较低而韧性较好的共晶体,在硬度降低的同时,渗硼层的断裂韧性提高,因而耐磨粒磨损能力提高.文献[4]指出,原始渗硼层断口呈沿晶断裂特征,而激光处理后表层断口分为2个区域,外层对应于共晶化处理的渗层呈韧窝特性,表明经激光热处理后渗硼层的断裂韧性有所提高.另外,经过激光处理后,基体获得针片状马氏体组织(见图2),对渗层起到强有力的支撑作用,使渗层与基体之间的硬度差即硬度梯度变缓,这也使得其耐磨性提高.

3　结论

经表面渗硼和激光热处理后,45#钢表层形成共晶化组织,相应的硼共晶表面改性层具有适当的硬度和韧性,因而其抗磨粒磨损性能明显改善;表面改性处理后的45#钢试样同GCr15钢对摩时呈现断裂磨

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152摩　擦　学　学　报第22卷

Fig4　SEMmorphologyofsampleLafterwearing

test(500×)

Fig5　SEMmorphologyofsampleLmafterwearing

test(500×)

图4　L试样磨损表面形貌(×500)图5　Lm试样磨损表面形貌(×500)

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FirebricksandtheSurfaceAggrandizementonBoronLayer(耐

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ResearchonAbrasiveWearResistanceandMechanismofBoronized

LayerBeingEutecticumedwithLaser

1211

HUJin2suo,HAOJing2min,LIZhi2yuan,WANGYing

(1.DepartmentofAmmunitionEngineering,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003,China;2.LaboratoryofNetworkResources,RadioandTVUniversityofHebei,Shijiazhuang050000,China)

Abstract:SolidboronizingandlasersurfacetreatmentisappliedtoAISI21045steeltoobtaintheboroneutecticlayerofpropermicrohardnessandtoughness.Thewearbehaviorofthesurface2modifiedAISI21045steelspecimenslidingagainstSAE252100steelinthepresenceofSiO2abrasiveswasexaminedwithanMM2200frictionandweartester.Themorphologiesofthewornsurfaceswereobservedwithascanningelectronmicroscope.

Thewear2resistanceoftheboron2permeatedsteelspecimenisbetteredafterlaserheat2

treatment.Thesurface2modifiedlayerischaracterizedbymicro2crackingandfractureinslidingagainstSAE252100steelinthepresenceofSiO2abrasives.

Keywords:mildsteel;boronpermeation;lasersurfacetreatment;wearmechanism

Author:HUJinsuo,male,bornin1971,Ph.D.student,E2mail:wangying_111@yahoo.com.cn.

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