中高碳低合金钢一般用于制造要求高硬度和高耐磨的机械零件或工模具,在纺织行业主要用于制造织针。目前我国用于制造织针的钢,有碳工钢或轴承钢、弹簧钢等,因其耐磨性不足使用寿命比较短^[1]。因此,优化热处理技术使钢材具有高硬度和优良的强韧性匹配,对于提高其使用寿命意义重大。细化晶粒,是得到高硬度和优良强韧性匹配以及摩擦学性能的有效途径之一。

自1960's Grange提出“循环淬火热处理”技术以来,该技术已成为晶粒细化有效的途径之一^[2]。细化钢的晶粒具有由位错马氏体、细小和均匀分布的碳化物以及可应力/应变诱发马氏体相变的少量残留奥氏体组织,可改善其韧性和耐磨性^[3-5]。刘安民等^[6]通过快速循环热处理超细化Cr12MoV钢晶粒,使模具寿命提高了3倍以上。巴德玛等^[7]采用预滚压技术纳米化堆焊层降低了摩擦系数,减小了磨损。Bregliozzi等^[8]的研究表明,细晶304不锈钢在不同湿度下的摩擦学性能均明显优于粗晶钢的性能。Gao^[9]、Jain^[10]、Wasekar^[11]和Panagopoulos ^[12]等分别对Cu、Ti、Ni及Zn合金进行晶粒细化,有效改善了材料的摩擦学性能。为了提高涂层的耐磨性,大量学者也深入研究了涂层组织的细化^{[13, 14]}。Das等^[15]认为,磨损是一个材料损失的动态过程,材料的耐磨性与其显微组织和性能演化密切相关。摩擦表面和次表层的塑性变形和硬化,与材料的持续硬化能力相关。因此,探索晶粒细化对金属材料的应变硬化行为与摩擦学行为的关系,对于优化钢材的组织结构和提高钢的服役性能有重要的学术价值。鉴于此,本文用循环淬火技术制备具有不同奥氏体晶粒尺寸的T10钢,研究其与涤纶(PET)配副的干滑动摩擦磨损行为,以及摩擦学性能与晶粒尺寸的关系。

1 实验方法

实验用钢为商用正火态T10钢,其淬火-回火工艺列于表1。使用JB-50 型冲击试验机测试钢的冲击韧性,数据为3次试验结果的平均值,无缺口冲击试样尺寸为7 mm×10 mm×55 mm。依据GB/T228-2010,采用ETM305D 微机控制电子万能试验机进行室温拉伸试验,拉伸标距50 mm,拉伸速率3 mm/min,拉伸性能为3次试验结果的平均值。根据屈服点和抗拉强度间的塑性段的真应力真应变曲线的对数坐标线性计算应变硬化指数。使用MH-3显微硬度计测试试验前后盘表面硬度,载荷为300 g,保压为15 s。

试样磨抛后经饱和苦味酸溶液侵蚀,在Nikon LV150 正立式光学显微镜(OM)下观察并拍照,晶粒尺寸为10个视场测量值的平均值。使用JSM-6700F Cold F扫描电镜(SEM)观察磨损表面形貌。使用立式MM-W1万能摩擦磨损试验机进行干滑动摩擦磨损试验,采取面面接触的盘-销滑动摩擦,盘试样(直径35 mm厚度5 mm)为不同次数淬火并回火后的T10钢。为模拟织针的使用环境,对偶销选择PET,其直径为5.5 mm高8 mm。试验条件：正压力分别为40 N、70 N和100 N,试验时间2 h,销的中心线回转半径7 mm,转速400 r/min。采用失重法称量盘的质量损失,称重前试样用丙酮清洗并吹干后采用精度0.01 mg的电子天平称量。

2 实验结果

2.1 T10钢的晶粒尺寸

不同次数淬火的T10钢的奥氏体晶粒的金相照片,如图1所示。可以看出,经1, 3和5 次淬火的T10钢的奥氏体晶粒的平均尺寸分别约为32 μm, 12 μm和5 μm,表明T10钢的奥氏体晶粒显著细化。

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图1   不同次数淬火的T10钢的奥氏体晶粒

Fig.1   OM images of austenite grain of studied steel quenched by 1 time (a), 3 times (b), and 5 times (c)

2.2 力学性能

试样经不同热处理后,其硬度和力学性能参数如表2所示。可以看出,细化晶粒对钢的硬度影响很小,但是对冲击韧性和拉伸性能有明显的影响。随着奥氏体晶粒细化钢的冲击韧性逐渐提高,其中奥氏体晶粒5 μm的钢的冲击韧性是晶粒为32 μm的约1.5倍,钢的屈服强度和抗拉强度也逐渐提高,但是应变硬化指数则因晶粒细化而缓慢下降。

2.3 摩擦磨损性能

2.3.1 摩擦系数图2给出了具有不同奥氏体晶粒尺寸的试样在不同正压力下与PET组成的摩擦副的干滑动摩擦系数随试验时间的变化曲线。可以看出,随着试验时间的延长摩擦系数呈现波动性增大的趋势。但是随着正压力的增大整体呈下降趋势,相同正压力下不同晶粒尺寸的试样的平均摩擦系数的变化没有明显的规律,只是在70 N下晶粒尺寸5 μm的试样的摩擦系数较小。

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图2   摩擦系数随试验时间的变化

Fig.2   Friction coefficient as a function of test time (a)positive pressure 40 N,(b) positive pressure 70 N, (c) positive pressure 100 N, (d) average friction coefficient

2.3.2 磨损量图3给出了不同晶粒尺寸的试样在3个正压力下干滑动摩擦试验后的磨损量对比。由图3可见,随着正压力增大盘试样的磨损均不同程度地增大。在3个正压力下晶粒尺寸最大的试样的磨损量都最大,且正压力越大磨损量的增加愈明显。比较40 N和70 N下、晶粒尺寸为12 μm和5 μm的试样,其磨损量增加不大;当正压力增加到100 N时3个晶粒尺寸的试样的磨损均很快增加,但是奥氏体晶粒最小的试样磨损的增加幅度最小,其磨损量仅为32 μm的约50%。这表明,T10钢的晶粒细化和韧性改善可有效提高钢的耐磨性。

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图3   不同晶粒尺寸的试样的磨损量与正压力的关系

Fig.3   Wear loss of T10 steel samples with various grain sizes as a function of normal load

2.3.3 磨损前后盘的表面硬度为了比较试验后磨损表面的硬化随晶粒尺寸的变化趋势,测试了磨痕的表面硬度,结果如图4所示。可以看出,试样的磨损表面硬度与正压力存在正向关系,即无论晶粒尺寸大小其磨损表面硬度均随着正压力的增大而增大。其中,晶粒尺寸最小的试样在3个正压力下试验后的磨损表面硬度均高于晶粒尺寸为32 μm和12 μm的试样的磨损表面硬度,而晶粒尺寸最大的试样其磨损表面硬度随正压力增加所致的硬化现象并不显著。结合应变硬化指数随晶粒尺寸的变化趋势可以看出,高应变硬化指数的材料其磨损表面硬度的增加值相反较小。这些结果表明,材料的磨损行为与应变硬化能力之间存在着必然的联系。

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图4   不同晶粒尺寸的试样磨损前后的表面硬度

Fig.4   Surface hardness of samples with various grain sizes before and after test

2.3.4 盘的磨损表面形貌为了判明不同晶粒尺寸的T10钢试样与涤纶配副的干滑动磨损机理,对70 N正压力下的磨损试样表面进行了SEM观察,如图5所示。图5表明,磨损表面均存在少量犁沟和少量的疲劳剥落坑。在晶粒尺寸为32 μm的试样的磨损表面观察到明显的犁削引起的塑性变形,而晶粒尺寸12 μm的试样的犁沟明显变浅,晶粒尺寸5 μm的试样的磨损表面最光滑,仅可见少量窄而浅的犁沟。显然,T10钢的干滑动磨损机理以磨粒磨损为主伴随着轻微的疲劳磨损。

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图5   70 N正压力下不同晶粒尺寸的T10钢的磨损表面形貌

Fig.5   Wear surface morphology of T10 steel samples with various grain sizes after tested under normal loads 70 N, (a), (b) 32 μm; (c), (d) 12 μm; (e), (f) 5μm

3 讨论

本文的结果表明,T10钢的原奥氏体晶粒尺寸从32 μm减小到约5 μm时冲击韧性提高了约50%,而硬度基本不变(表2和图4),在基本不影响摩擦系数的前提下其耐磨性明显改善。文献[16]的结果表明,90CrMnTi钢的晶粒细化显著提高材料冲击韧性,其原因是马氏体片细化、碳化物量减少以及残留奥氏体量增加的综合作用。对照图3的磨损试验结果和图5的磨损表面分析,可见在不降低硬度基础上的韧性改善有利于延缓摩擦磨损过程中表层裂纹的形成和扩展,从而降低疲劳磨损倾向,也说明在保证基体硬度的基础上韧性改善有利于提高其摩擦学性能。本文的结果与徐流杰等^[17]对高钒高速钢的研究结果不同,说明以牺牲韧性为前提的硬度提高在滑动摩擦环境的应用不一定得到预期的效果。

拉伸试验结果显示,晶粒细化对强度的影响遵循Hall-Petch关系,即晶粒越细,强度越高,而应变硬化指数降低(表2)。应变硬化指数代表材料通过硬化来抵抗继续变形的能力^[18]。为了减少磨损,在某些情况下对材料表面预硬化,如抛丸或滚压处理,可以改善抗接触疲劳磨损的能力。但是预硬化也使材料表层通过塑性变形吸收机械能的能力降低,因而容易产生裂纹,加剧磨损^[19]。其原因是,比较高的应变硬化指数预示着在干滑动摩擦开始时表层材料的快速硬化和持续塑性变形吸收机械能的能力衰退,对稳定磨损期的磨损不利。本文中晶粒尺寸为32 μm的、具有高应变硬化指数的T10钢在3个正压力下的磨损性能最差的试验结果,证实了上述论断。因此在宏观硬度相当的前提下,通过合理途径实现钢的晶粒细化和韧性改善且具有较低的应变硬化能力,有利于改善材料的耐磨性。因此,具有较小应变硬化指数的细晶钢的磨损表面优良的摩擦诱发硬化特性,是其耐磨性提高的主要原因。

此外,在干滑动摩擦磨损试验过程中,随着正压力增大摩擦系数总体上降低(图2)。其主要原因在于,正压力较小时摩擦表面微凸体顶端相互作用,实际接触面积较小,微凸体所受压力高,摩擦阻力主要来源于摩擦面微凸峰的相互机械啮合阻力;在滑动速度相同、较小正压力下的摩擦表面温升较小,因摩擦温升诱发的PET向盘面粘附或熔化对降低摩擦系数的作用也较小,因此摩擦系数较大。正压力的增大导致摩擦表面温升较高,PET销试样表面软化/变形甚至熔化,摩擦面的实际接触面积增大,因而其摩擦系数较低。同时,T10钢的应变硬化能力也影响摩擦系数,摩擦剪切应力导致的表层塑性变形通过硬度(图4)也降低摩擦系数和减小磨损。

综上所述,采用循环淬火技术有效细化T10钢的奥氏体晶粒,提高其强度和韧性并适度降低其应变硬化能力,使在与PET销配对的干滑动摩擦过程中盘表层材料实现渐进式硬化,可以持续地吸收摩擦机械能,避免因表层的快速硬化使微裂纹形成,减小疲劳磨损趋势,从而提高钢的耐磨性。

4 结论

经780℃循环淬火、180℃低温回火2 h处理后的T10钢,奥氏体晶粒从1次淬火的32 μm减小到5次淬火后约5 μm,抗拉强度和屈服强度提高,冲击韧性提高约50%,而应变硬化指数有所降低。

与PET配副的不同奥氏体晶粒尺寸的T10钢,其干滑动摩擦系数均随着正压力的增大而减小,但是晶粒尺寸对摩擦系数的影响很小。随着晶粒尺寸的减小T10钢的耐磨性显著提高,其磨损机理为以犁削为主伴随着轻微的疲劳磨损。

The authors have declared that no competing interests exist.