淬火-配分-回火钢Fe-12Ni-1.5Si-0.2C-0.1V碳氮共渗前后的磨损性能

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淬火-配分(Quenched and Partitioned,Q&P)钢是比较典型的第三代先进高强度钢。由于它具有高塑性、高强度且成本低廉等优点,引起了国内外学者和生产企业的重点关注。淬火-配分-回火(Quenched-Partitioned-Tempered,Q-P-T)钢,是以Q&P钢为基础,添加了一定比例的合金碳化物形成元素而得到的一种新型钢种。目前对于Q-P-T钢耐磨性能的研究非常有限,合金碳化物的析出对该类钢耐磨性能的影响尚不得而知。此外,通过化学热处理进行表面改性进而提高耐磨性的研究更是凤毛麟角。因此,本工作首先对比了低碳Q&P和Q-P-T钢的干滑动摩擦磨损性能,然后在Q&P和Q-P-T处理前经典型的碳氮共渗工艺进行表面改性,初步研究了这两类材料的磨损失效特征。主要内容和结果如下:(1)分别选取低碳的Fe-12Ni-1.5Si-0.2C(Q&P)和Fe-12Ni-1.5Si-0.2C-0.1V(Q-P-T)合金作为研究对象,通过热膨胀法获得相变特征温度Ac1、Ac3和Ms,并依此结合约束碳配分平衡(Constrained carbon equilibrium,CCE)模型对这两种合金分别进行Q&P和Q-P-T热处理。通过对其显微组织进行表征,发现热处理后的所有试样均由板条马氏体和少量的残余奥氏体组成。由于析出碳化钒,Q-P-T试样中的显微组织比Q&P试样中细小。(2)耐磨性能测试结果表明,可能受到不同淬火停留温度Tq的影响,不同Q&P试样的磨损速率随磨损时间的增加其变化规律各不相同。大多数试样磨损初期的磨损速率随磨损时间的增加迅速下降,当磨损时间超过30 min后,磨损速率趋于平稳状态。这符合一般的摩擦磨损规律。磨损表面的观察发现,Q&P试样的磨损主要以表面带有轻微凹坑的浅犁沟形貌为主,表明材料的流失主要是以塑性去除为主,辅以脆性断裂去除的磨粒磨损机制。(3)相同磨损实验条件下,Q-P-T试样的磨损速率明显大于Q&P试样,其耐摩擦磨损性能更差。从显微组织分析,两种试样的主要区别在于Q-P-T试样中存在碳化钒的沉淀颗粒,这应该是造成两者磨损性能不同的主要原因。磨损实验前,虽然相同淬火温度下的Q-P-T试样内残余奥氏体的含量均比Q&P试样略高,但磨损试验后,从XRD衍射峰分析,它们几乎都转变为马氏体。高的残余奥氏体因马氏体相变引起的附加硬化效果,反而有助于提高耐磨损性能。因此,残余奥氏体含量的差异不是Q-P-T和Q&P试样磨损性能不同的主要原因。经SEM观察,结果显示Q-P-T试样的磨屑形状和大小不一,多以不规则块状为主。EDS结果显示,磨屑的主要成分包括基体材料的Fe、C、Si、Ni、V和对磨盘的Cr,以及较高含量的O。可以认为该试样的磨损机制除了磨粒磨损和粘着磨损外,还存在氧化磨损。(4)根据工业生产优化的工艺进行碳氮共渗后,显微组织观察显示,两种试样的渗层深度和显微组织没有太大差别,渗层均包括高碳马氏体和相对较多的残余奥氏体。初步的摩擦实验发现,碳氮共渗提高了Q&P和Q-P-T试样的耐磨损能力,这与碳氮在渗层引起的强化效应有关。
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