動(dòng)態(tài)金屬學(xué)視角下金屬材料磨損的微觀機(jī)制研究

動(dòng)態(tài)金屬學(xué)視角下金屬材料磨損的微觀機(jī)制研究

在工業(yè)化進(jìn)程快速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的金屬材料，尤其是耐磨材料，需要不斷的工藝和性能才能得到提高。與國(guó)外同類產(chǎn)品的耐磨材料相比,我國(guó)各項(xiàng)耐磨、耐蝕指標(biāo)都有較大的差距。在我國(guó),水泥、鋼鐵、電力、礦山、鐵路、航空、汽車等行業(yè),所需要及應(yīng)用的耐磨材料一直是困擾企業(yè)發(fā)展的瓶頸。無(wú)論是企業(yè)還是市場(chǎng)都在企盼真正具有高性能、優(yōu)質(zhì)的耐磨材料出現(xiàn),并取代進(jìn)口。據(jù)中國(guó)工程院相關(guān)統(tǒng)計(jì),我國(guó)因?yàn)槟p和腐蝕造成的損失約占GDP的9.5%。將宏觀的摩擦磨損現(xiàn)象與金屬組織的微觀變化相聯(lián)系,用動(dòng)態(tài)金屬學(xué)的觀點(diǎn)研究磨損的微觀機(jī)制,即進(jìn)行摩擦金屬學(xué)研究。這無(wú)疑是揭示金屬材料磨損本質(zhì)的基本途徑,將有助于耐磨材料和處理方法的選擇和研究開(kāi)發(fā)。納米材料雖然能夠賦予產(chǎn)品以奇特而優(yōu)異的性能,但因目前科技發(fā)展水平和生產(chǎn)成本的制約,完全以納米材料替代常用的傳統(tǒng)材料還不現(xiàn)實(shí)。為滿足新型金屬耐磨材料的發(fā)展和應(yīng)用需求,簡(jiǎn)便可行且成本低廉的金屬耐磨材料納米改性技術(shù)獨(dú)占優(yōu)勢(shì)。材料納米改性科學(xué)技術(shù)是隨著近年來(lái)新材料和納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)。它通過(guò)在材料中引入納米改性劑以在納米尺度上控制材料,使材料的性能潛力得到更有效地發(fā)揮,提高產(chǎn)品的使用性能、壽命和可靠性。開(kāi)辟耐磨材料的另一個(gè)新領(lǐng)域是對(duì)鉻(Cr)系鑄鐵的研究。通過(guò)向普通白口鑄鐵中加入鉻,可提高白口鑄鐵的力學(xué)性能和耐磨性。鉻系白口鑄鐵已經(jīng)取代了其他耐磨材料比如說(shuō)中錳韌性鑄鐵以及高錳鋼。根據(jù)鉻含量的不同,可分為低Cr、中Cr和高Cr白口鑄鐵。此外,還有Cr-Mo和Cr-Mo-Cu合金等鉻系耐磨鑄鐵。筆者基于對(duì)高Cr、低Cr和Cr-Mo-Cu耐磨鑄鐵進(jìn)行摩擦金屬學(xué)行為研究,利用材料的納米改性技術(shù)有效改善鉻系耐磨鑄鐵的組織結(jié)構(gòu)和性能,以提高鉻系耐磨鑄鐵的耐磨性。1摩擦金屬學(xué)行為與納米改造的影響1.1納米改性劑用量對(duì)沖蝕表面的影響高鉻白口鑄鐵之所以存在優(yōu)異的耐磨損性,是由于含有高硬度的M7C3型(M是Cr和Fe)型碳化物。但高硬度的碳化物可能提供裂紋擴(kuò)展的路徑,又會(huì)使高鉻鑄鐵在遭受高一些的沖擊載荷時(shí)易產(chǎn)生脆性斷裂。文中研究表明,加入納米改性劑可以改變這些高硬度碳化物的形態(tài)、尺寸和分布(見(jiàn)圖1),可以有效提高高鉻鑄鐵的韌性,有利于其在沖擊載荷下的耐磨性。加入不同納米改性劑和孕育劑的高鉻鑄鐵性能如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)沖蝕角為30°時(shí),高鉻鑄鐵的沖蝕磨損機(jī)理為微切削。當(dāng)沖蝕粒子以30°角沖向材料的表面時(shí),沖擊力可以看成是兩種力的綜合作用:一種力可以分解為使沖擊砂粒進(jìn)入材料內(nèi)部,促進(jìn)產(chǎn)生縱向裂紋的過(guò)程;另外的一種力可分解成水平方向使砂粒在材料的表面向前移動(dòng),這樣就在材料的表面形成片狀的唇片。當(dāng)沖蝕角為90°時(shí),高鉻鑄鐵的沖蝕磨損機(jī)理為擠壓鍛打成片。沖蝕表面破壞嚴(yán)重,出現(xiàn)了很多凹坑。而隨著納米改性劑含量的增加,凹坑的數(shù)量減少,并且在凹坑的附近出現(xiàn)了凸起的唇片。說(shuō)明加入一定含量的納米改性劑時(shí),能夠保證高鉻鑄鐵具有高硬度的同時(shí),使韌性有所提高。研究中,當(dāng)向高鉻鑄鐵里加入0.4%納米改性劑時(shí),對(duì)沖蝕磨損率的影響最為明顯,當(dāng)沖蝕角為90°時(shí),其抗沖蝕磨損性能可提高50.87%,當(dāng)沖蝕角為30°時(shí),其抗沖蝕磨損性能可提高41.46%。如圖2b所示。在劃痕實(shí)驗(yàn)時(shí),劃痕深度隨著壓頭正向力增加而線性增加,最終使表面層材料破壞。碳化物的大小、形態(tài)以及在基體上的分布狀態(tài)可能會(huì)直接影響劃痕大小和形貌,在劃痕的過(guò)程中如果碳化物的顆粒較大,則壓頭在經(jīng)過(guò)的過(guò)程中,容易發(fā)生脆性斷裂,則對(duì)應(yīng)的聲信號(hào)變大,摩擦力和摩擦系數(shù)增加。ANSYS分析結(jié)果表明:碳化物距離壓頭越遠(yuǎn),產(chǎn)生應(yīng)力集中的趨勢(shì)越小,碳化物不會(huì)發(fā)生明顯變化,產(chǎn)生的位移量很小,對(duì)劃痕不會(huì)產(chǎn)生明顯作用;當(dāng)碳化物距離劃痕很近時(shí),碳化物的尖端上產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此當(dāng)劃痕劃過(guò)時(shí),該處碳化物容易斷裂,聲信號(hào)突然增加,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。文中實(shí)驗(yàn)表明,添加納米改性劑可以細(xì)化碳化物晶粒,并使碳化物在基體中均勻地分布,于是相鄰碳化物的距離變小,表面上壓頭接觸或滑過(guò)碳化物的機(jī)會(huì)增加,因此,摩擦力比沒(méi)有添加納米改性劑的高鉻鑄鐵變得更大。1.2改性劑對(duì)低鉻鑄件的韌性和耐磨性低鉻白口鑄鐵中的Cr/C比值小,碳化物的類型為(Cr,Fe)3C,在基體上呈網(wǎng)狀分布,對(duì)基體的割裂作用較大,導(dǎo)致其韌性較低。加入納米改性劑不僅降低了低鉻鑄鐵中碳化物的網(wǎng)狀傾向,減少了其對(duì)基體的割裂作用,而且改變了基體中滲碳體層片的形態(tài)、尺寸和間距(如圖3),改善了其界面的潔凈度,于是有效提高了低鉻鑄鐵的韌性和耐磨性。低Cr鑄鐵的沖擊韌性和沖擊磨損抗力如圖4所示。1.3石墨形態(tài)及磨損體積在干滑動(dòng)嚴(yán)重磨損情況下,Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的磨損機(jī)制以熱疲勞脫落和磨粒磨損為主要形式。因此,Cr-Mo-Cu合金鑄鐵中石墨的形態(tài)是通過(guò)影響上述兩種磨損的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在蠕蟲(chóng)狀石墨形態(tài)存在的鑄鐵中,由于蠕蟲(chóng)狀石墨的存在使鑄鐵具有良好的導(dǎo)熱性能和強(qiáng)度性能,必然具有良好的抵抗熱疲勞脫落的能力。如圖5所示,有限元模擬計(jì)算結(jié)果顯示,在相同的磨損條件下,假設(shè)磨損面上的閃光溫度相同,由于蠕蟲(chóng)狀石墨鑄鐵的熱導(dǎo)率明顯高于片層石墨鑄鐵,使其熱量傳遞速度較高,利于磨損表面溫度的降低。又由于干滑動(dòng)磨損條件下的磨粒主要來(lái)源于熱疲勞脫落的產(chǎn)物,因而抵抗熱疲勞脫落磨損能力的提高必然會(huì)減小磨粒磨損發(fā)生的程度。片狀石墨形態(tài)存在的鑄鐵強(qiáng)度相對(duì)較低,導(dǎo)致抗熱疲勞脫落能力很低,其耐磨性也必然很低。Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的金相組織為馬氏體、碳化物和片狀或蠕蟲(chóng)狀石墨。石墨在基體中的硬度和強(qiáng)度接近于零,在金屬組織內(nèi)如同空洞,切割基體并造成應(yīng)力集中,在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下,露在磨痕附近表面的石墨早期碎裂脫離而形成空穴,使金屬組織顯露出尖角銳刃,有利于Cr-Mo-Cu合金鑄鐵制成的部件具有一定的研磨或破碎加工功效。又由于石墨屬于密排六面結(jié)構(gòu),質(zhì)地軟弱,沿底面易滑移,是一種有效的固體潤(rùn)滑材料,能使摩擦面保持良好的潤(rùn)滑條件。但當(dāng)石墨的長(zhǎng)寬比較大,石墨呈現(xiàn)粗長(zhǎng)的片狀,會(huì)造成石墨處過(guò)度的應(yīng)力集中,發(fā)生石墨片的滑動(dòng),起不到潤(rùn)滑的作用,使耐磨性降低,只有當(dāng)石墨長(zhǎng)寬比小,呈現(xiàn)細(xì)小的蠕蟲(chóng)狀,才能使空洞良好的“刀具”作用體現(xiàn)出來(lái),達(dá)到提高磨削性能的作用,如圖6所示。此外,經(jīng)納米改性的Cr-Mo-Cu合金鑄鐵(蠕蟲(chóng)狀石墨鑄鐵)與GCr15磨球磨損,由于石墨尺寸較小,對(duì)基體的分割作用比較明顯,便于產(chǎn)生細(xì)小的磨屑,具有相對(duì)較大的比表面積,與氧氣接觸的機(jī)會(huì)較大,易于發(fā)生氧化磨損,形成的氧化膜起到潤(rùn)滑和保護(hù)基體的作用。也就是說(shuō),石墨形態(tài)對(duì)鑄鐵耐磨性的影響,一方面是通過(guò)影響其導(dǎo)熱能力和抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力而影響其抗熱疲勞脫落能力來(lái)實(shí)現(xiàn)的;另一方面還由于材料移除量或剝落量的不同而使得磨損時(shí)磨屑的多少不同,磨屑的黏著轉(zhuǎn)移或充當(dāng)磨粒的程度也就不同,于是使得磨損的程度發(fā)生改變。納米改性后,Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的晶粒明顯細(xì)化,組織細(xì)密,硬度提高。特別是,納米改性使Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣中石墨的形態(tài)發(fā)生了明顯的變化。圖7中可以看出納米改性前后合金鑄鐵試樣中石墨的變化。未改性試樣的石墨的生長(zhǎng)方向及外形尺寸很不規(guī)則,石墨形態(tài)單一,粗長(zhǎng)且長(zhǎng)度不一,幾乎沒(méi)有彎曲和分叉,石墨呈現(xiàn)片狀形態(tài),如圖7a所示;經(jīng)納米改性的石墨整體成團(tuán)簇狀分布,外形細(xì)小,無(wú)明顯方向性,形態(tài)短小,普遍發(fā)生彎曲,具有波浪式的外緣和較多的分叉,頭部鈍化,呈蠕蟲(chóng)狀形態(tài),如圖7b所示。與GCr15鋼球?qū)δr(shí),納米改性淬火態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣的磨損體積比普通未改性淬火態(tài)的減少65.88%,納米改性鑄態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣的磨損體積也比普通未改性淬火態(tài)的減少61.96%。經(jīng)納米改性的Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的耐磨性能顯著提高,如表1所示。與Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣不同的是,GCr15鋼對(duì)磨球的磨損體積卻呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì):即使當(dāng)與改性鑄態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵下試樣對(duì)磨時(shí),GCr15鋼磨球的磨損體積是與普通淬火態(tài)合金鑄鐵對(duì)磨時(shí)的1.88倍,而當(dāng)與改性淬火態(tài)Cr-Mo-Cu合金鑄鐵試樣對(duì)磨時(shí),鋼磨球的磨損體積更大,是與普通淬火態(tài)合金鑄鐵對(duì)磨時(shí)的2.20倍。用兩者比值(G′=球體材料的磨損體積/鑄鐵試樣的磨損體積)可以表示在一定加工時(shí)間和載荷及轉(zhuǎn)速條件下,鑄鐵試樣與某一球體材料對(duì)磨時(shí)的耐磨與磨削性能。G′越大,反映鑄鐵試樣的耐磨與磨削性能越好。結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米改性淬火態(tài)鑄鐵試樣與GCr15磨球?qū)δr(shí)的G′值是普通淬火態(tài)的6.52倍,納米改性鑄態(tài)試樣的G′值也比普通淬火態(tài)時(shí)提高3.96倍。說(shuō)明納米改性不但能顯著改善Cr-Mo-Cu合金鑄鐵的耐磨性,也能提高對(duì)GCr15鋼的磨削作用。2u2004在其他方面的應(yīng)用納米改性耐磨合金磨球及襯板的硬度和斷裂韌性等均得到明顯改善,使用壽命大幅度提高。納米改性高鉻鑄鐵(相當(dāng)于ZQCr10)磨球硬度HRC為59～64,沖擊值達(dá)到4.0J/cm2(通常3.0J/cm2左右),納米改性低鉻鑄鐵磨球硬度HRC為46～52,沖擊值大于3.0J/cm2(通常2.0J/cm2左右),較未改性的鑄鐵磨球具有更高的韌性。在落球落高為3.5m時(shí)進(jìn)行落球?qū)嶒?yàn),落球次數(shù)大于18000(冶金標(biāo)準(zhǔn)YB/T091—2005規(guī)定為8000次,已知最高紀(jì)錄接近12500次),即采用納米改性技術(shù)不僅具有較好的耐磨性能,更明顯減少了磨球使用過(guò)程中的破碎率。生產(chǎn)過(guò)程中,考察了由Cr-Mo-Cu合金鑄鐵制成的光球磨板的磨削加工效率及使用壽命。如用Cr-Mo-Cu合金鑄鐵磨板加工?7.938mm的成品軸承鋼球,使用納米改性合金磨板可使磨削時(shí)間節(jié)省25.0%,磨削加工性能是原來(lái)的4倍;在加工鋼球數(shù)量一定時(shí),磨板的耐用度是原來(lái)的3倍。而用Cr-Mo-Cu合金鑄鐵磨板加工鎢合金毛坯球時(shí),磨板的工作時(shí)間增加了1倍,磨削效率提高了1倍;在加工成品球時(shí),磨板工作時(shí)間增加了85.7%,磨削量提高了92.9%,表明納米改性使Cr-Mo-Cu