铬含量对铁基材料的显微组织及磨损性能影响的分析方法

摘要

本发明公开了铬含量对铁基材料的显微组织及磨损性能影响的分析方法，通过45Mn2、Fe‑8.0Cr‑1.3C与Fe‑10.0Cr‑1.3C的组织分析、摩擦因数变化曲线和磨损率的技术、各试样磨损表面及磨屑的扫描电子显微镜(SEM)图和垂直于试样往复磨损方向的磨痕轮廓图来综合分析。本发明探究不同铬含量对铁基合金显微组织、硬度及摩擦磨损性能的影响，并与中碳低合金钢45Mn2进行对比，探索综合性能优异的铁基合金制备工艺；将调质后45Mn2钢与以上两种烧结钢进行了对比，从显微组织、硬度及加工硬化能力等方面对三者的磨损机理进行综合分析。

说明书

技术领域

本发明涉及丙烯酸酯类衍生物技术领域，具体涉及铬含量对铁基材料的显微组织及磨损性能影响的分析方法。

背景技术

铁基合金是我国粉末冶金工业的重点研究对象，目前已研发出大量性能优异的材料，在生活中存在广泛的应用。磨损是材料三种主要的失效形式之一，每年因磨损导致的钢铁浪费对国民经济造成了极大的损失。但影响材料耐磨损性能的因素错综复杂，探讨磨损机理、理清各影响因素之间的关系对制备耐磨损性能优良的铁基合金十分重要。

铬元素是铁基合金中一种常见的合金元素，可通过阻碍奥氏体长大起到细化晶粒的作用，同时也能显著提高钢材的强度、硬度及耐磨性，铬元素在铁基合金中的应用因此获得大量国内外学者的关注。包万遥等通过提高高铁弹条用60Si

目前为止，关于铬在高碳粉末冶金烧结钢耐磨损性能方面的研究较少，且在讨论磨损机理时仅考虑单一因素的影响，严谨性不足，基于此，本发明提供一种铬含量对铁基材料的显微组织及磨损性能影响的分析方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供铬含量对铁基材料的显微组织及磨损性能影响的分析方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明提供了铬含量对铁基材料的显微组织及磨损性能影响的分析方法，包括以下步骤：

步骤一：以商用铁粉、铸铁粉和高纯碳化铬粉为试验原料，按照碳含量1.3％，铬含量分别为8.0％和10.0％进行配料，通过粉末冶金分别制备Fe-8.0Cr-1.3C和Fe-10.0Cr-1.3C两种试样；

步骤二：在QM-PS4行星式球磨机上进行，球料质量比10：1，球磨转速200r·min-1，总球磨时间4h，再烧结成型处理；

步骤三：将步骤二产品进行调质处理，通过线切割将其加工成12mm×12mm×3mm的方块试样；

步骤四：采用AVH-5L型显微维氏硬度计测量试样硬度，载荷为0.98N，加载时间为15s；通过高速往复摩擦磨损试验对试样的耐磨损性能进行测试；

步骤五：结果与分析：通过45Mn

优选地，所述铁粉、铸铁粉和高纯碳化铬粉的粒径分别为400目、300目和30目。

优选地，所述球磨前，将球磨罐抽真空并通入高纯氩气，循环三次。

优选地，所述球磨结束后烧结成型处理的具体步骤为：

S01：将粉末过120目筛网，出粉率95％，添加聚乙二醇作为粘结剂，在QYL20型压力机上冷压成型，压力700MPa，保压时间3min；

S02：最终压制成12mm×12mm×3mm的方块坯体；

S03：将坯体放入ZT-40-20型真空碳管炉中烧结，最后随炉冷却至室温。

优选地，所述结温度1100℃，保温时间90min。

优选地，所述调质处理先在850℃保温退火60min，然后在室温水淬，随后在600℃高温回火120min，最后空冷至室温。

优选地，所述耐磨损性能测试方法为：

S11：高速往复摩擦磨损试验仪器型号为HSM-2M，试验前先对磨损表面进行磨抛清洗烘干，并用精度为0.01mg的电子天平称重，每个试样至少称5次，取均值；

S12：对磨件为碳化硅陶瓷球，直径Φ6mm，硬度78HRC；

S13：试验载荷30N，往复实验，总试验时间为45min，试验设备实时记录摩擦因数；

S14：试验结束后收集磨屑，将试样超声清洗并烘干称量，磨痕、磨屑及亚表面形貌采用日立S-3400N扫描电子显微镜进行拍摄，工作电压15KV，样品磨痕轮廓曲线通过SJ-210粗糙度仪采集。

优选地，所述S13中往复速度为400r·min-1。

优选地，所述S13中往复距离为10mm。

优选地，所述

磨损率的计算公式如下：

式中：A为总磨损率；m1、和m2分别为试样磨损前和磨损后的质量；ρ为试样密度(通过阿基米德排水法测得45Mn

探究不同铬含量对铁基合金显微组织、硬度及摩擦磨损性能的影响，并与中碳低合金钢45Mn2进行对比，探索综合性能优异的铁基合金制备工艺。方法以粉末冶金制备了碳含量为1.3％(质量分数，下同)，铬含量分别为8.0％和10.0％的两种试样，通过金相分析了二者的显微组织，并以高速往复摩擦磨损试验对其耐磨损性能进行了测试，结合表面粗糙度仪及扫描电子显微镜分析了磨痕轮廓及磨屑形貌，进一步探讨其磨损机理。结果经冷压烧结后，试样的组织为珠光体和铁素体，铬含量为8％的试样表面硬度略低于铬含量为10％的试样，分别为352HV和367HV，但前者的耐磨性更好。对比调质处理后的45Mn2钢，磨损率分别降低了74.6％和43.4％，表现出较好的耐磨损性能。结论铬的添加会阻碍奥氏体的长大，起到细化晶粒的作用，从而提高材料的硬度。另一方面，虽然铬优化了粉末的压制性，提高了烧结密度，但压制过程中消耗了大量的塑性变形空间，在磨损过程中发生加工硬化的能力变弱，导致磨损率偏高，宏观表现为铬含量高的试样其耐磨性反而偏低。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过粉末冶金制备碳含量为1.3％(质量分数，下同)，铬含量分别为8.0％和10.0％的两种试样。探讨了不同铬含量对高碳烧结钢显微组织及力学性能的影响。而调质后的45Mn

2、碳含量为1.3％，铬含量分别为8.0％和10.0％的两种试样经冷压烧结后，获得珠光体和铁素体组织，具有较高的硬度及优良的耐磨损性能，相较于调质处理的45Mn2钢，磨损率分别降低74.6％和43.4％。有望通过后期的热处理加工获得更好的综合力学性能；

3、铬元素的添加可起细化晶粒的作用，进而提高材料的硬度，当铬含量增加至10.0％时，粉末压制效果好，经烧结后密度更高，但冷压过程中已经消耗了大量的塑性变形空间，导致磨损过程中产生加工硬化的能力不如铬含量为8.0％的试样，磨损试验进行10min后，铬含量为8.0％的试样因加工硬化而改善耐磨性，磨损率较低。

附图说明

图1a为45Mn2金相组织图；

图1b为Fe-8.0Cr-1.3C金相组织图；

图1c为Fe-10.0Cr-1.3C金相组织图；

图2不同试样磨损试验过程中的摩擦因数变化图；

图3不同试样的磨损率及磨损表面硬度对比图；

图4a为45Mn2磨痕的扫描电子显微镜(SEM)图；

图4b为45Mn2磨屑的扫描电子显微镜(SEM)图；

图4c为Fe-8.0Cr-1.3C磨痕的扫描电子显微镜(SEM)图；

图4d为Fe-8.0Cr-1.3C磨痕扫描电子显微镜(SEM)图；

图4e为Fe-8.0Cr-1.3C磨痕的扫描电子显微镜(SEM)图；

图4f为Fe-10.0Cr-1.3C磨屑的扫描电子显微镜(SEM)图；

图5为不同试样的磨损表面轮廓图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-5，本实施例的铬含量对铁基材料的显微组织及磨损性能影响的分析方法，包括以下步骤：

步骤一：以商用铁粉、铸铁粉和高纯碳化铬粉为试验原料，按照碳含量1.3％，铬含量分别为8.0％和10.0％进行配料，通过粉末冶金分别制备Fe-8.0Cr-1.3C和Fe-10.0Cr-1.3C两种试样；

步骤二：在QM-PS4行星式球磨机上进行，球料质量比10：1，球磨转速200r·min-1，总球磨时间4h，再烧结成型处理；

步骤三：将步骤二产品进行调质处理，通过线切割将其加工成12mm×12mm×3mm的方块试样；

步骤四：采用AVH-5L型显微维氏硬度计测量试样硬度，载荷为0.98N，加载时间为15s；通过高速往复摩擦磨损试验对试样的耐磨损性能进行测试；

步骤五：结果与分析：通过45Mn

本实施例的铁粉、铸铁粉和高纯碳化铬粉的粒径分别为400目、300目和30目。

本实施例的球磨前，将球磨罐抽真空并通入高纯氩气，循环三次。

本实施例的球磨结束后烧结成型处理的具体步骤为：

S01：将粉末过120目筛网，出粉率95％，添加聚乙二醇作为粘结剂，在QYL20型压力机上冷压成型，压力700MPa，保压时间3min；

S02：最终压制成12mm×12mm×3mm的方块坯体；

S03：将坯体放入ZT-40-20型真空碳管炉中烧结，最后随炉冷却至室温。

本实施例的结温度1100℃，保温时间90min。

本实施例的调质处理先在850℃保温退火60min，然后在室温水淬，随后在600℃高温回火120min，最后空冷至室温。

本实施例的耐磨损性能测试方法为：

S11：高速往复摩擦磨损试验仪器型号为HSM-2M，试验前先对磨损表面进行磨抛清洗烘干，并用精度为0.01mg的电子天平称重，每个试样至少称5次，取均值；

S12：对磨件为碳化硅陶瓷球，直径Φ6mm，硬度78HRC；

S13：试验载荷30N，往复实验，总试验时间为45min，试验设备实时记录摩擦因数；

S14：试验结束后收集磨屑，将试样超声清洗并烘干称量，磨痕、磨屑及亚表面形貌采用日立S-3400N扫描电子显微镜进行拍摄，工作电压15KV，样品磨痕轮廓曲线通过SJ-210粗糙度仪采集。

本实施例的S13中往复速度为400r·min-1。

本实施例的S13中往复距离为10mm。

本实施例的磨损率的计算公式如下：

式中：A为总磨损率；m1、和m2分别为试样磨损前和磨损后的质量；ρ为试样密度(通过阿基米德排水法测得45Mn

实施例1：

以商用铁粉(400目)、铸铁粉(300目)和高纯碳化铬粉(300目)为试验原料，按照碳含量1.3％，铬含量分别为8.0％和10.0％进行配料，通过粉末冶金分别制备Fe-8.0Cr-1.3C和Fe-10.0Cr-1.3C两种试样。各粉末的化学成分如表1、表2所示。

表1铁粉及铸铁粉的化学成分(质量分数/％)

Tab.1Chemical composition of iron powder and cast iron powder(massfraction/％)

表2碳化铬粉的化学成分(质量分数/％)

Tab.2Chemical composition of chromium carbide powder(massfraction/％)

混料过程在QM-PS4行星式球磨机上进行，球料质量比10：1，球磨转速200r·min-1，总球磨时间4h。球磨前，将球磨罐抽真空并通入高纯氩气，循环三次。球磨结束后将粉末过120目筛网，出粉率约95％。添加少量聚乙二醇作为粘结剂，在QYL20型压力机上冷压成型，压力700MPa，保压时间3min，最终压制成12mm×12mm×3mm的方块坯体。将坯体放入ZT-40-20型真空碳管炉中烧结，烧结温度1100℃，保温时间90min，最后随炉冷却至室温。

低合金钢在工程中也是一类重要的耐磨材料，耐磨料磨损性能属于中等。例如，45Mn2钢可以用来制备磨球、钎具等，且在汽车、拖拉机及普通机械制造中，用于制造万向接头轴、车轴、连杆盖、磨擦盘，蜗杆、齿轮、齿轮轴等。对比材料为商用45Mn2轧制钢棒，其截面尺寸为Φ30mm×60mm，化学成分如表3所示。将钢棒进行调质处理(先在850℃保温退火60min，然后在室温水淬，随后在600℃高温回火120min，最后空冷至室温)，通过线切割将其加工成12mm×12mm×3mm的方块试样(以下简称45Mn2)。

表3 45Mn2钢的化学成分(质量分数/％)Tab.3Chemical composition of45Mn2steel(mass fraction/％)

采用AVH-5L型显微维氏硬度计测量试样硬度，载荷为0.98N，加载时间为15s。通过高速往复摩擦磨损试验对试样的耐磨损性能进行测试，仪器型号为HSM-2M，试验前先对磨损表面进行磨抛清洗烘干，并用精度为0.01mg的电子天平称重(每个试样至少称5次，取均值)。对磨件为碳化硅陶瓷球，直径Φ6mm，硬度约78HRC。试验载荷30N，往复距离10mm，往复速度为400r·min-1，总试验时间为45min。试验设备实时记录摩擦因数。试验结束后收集磨屑，将试样超声清洗并烘干称量。磨痕、磨屑及亚表面形貌采用日立S-3400N扫描电子显微镜进行拍摄，工作电压15KV。样品磨痕轮廓曲线通过SJ-210粗糙度仪采集。

实施例2：

图1为各试样的金相组织图。从图1a不难看出，45Mn2中大量黑色细颗粒碳化物均匀分布在等轴状铁素体上，称之为回火索氏体，这也是中碳钢经调质处理后的典型组织。如图1b和c所示，Fe-8.0Cr-1.3C与Fe-10.0Cr-1.3C的组织组成基本相同，均为铁素体和珠光体，相较之下，后者的珠光体含量更高。

图2为各试样的摩擦因数变化曲线，不难看出45Mn2的摩擦因数值最大，Fe-10.0Cr-1.3C次之，Fe-8.0Cr-1.3C的摩擦因数值最小。图3为各试样的磨损率及磨损试验前后硬度的对比图，可见，45Mn2、Fe-8.0Cr-1.3C和Fe-10.0Cr-1.3C的磨损率分别为11.56×10-6mm3·N-1·m-1、2.94×10-6mm3·N-1·m-1和6.54×10-6mm3·N-1·m-1，Fe-8.0Cr-1.3C和Fe-10.0Cr-1.3C的磨损率较45Mn2分别降低74.6％和43.4％。三种试样磨损前的表面硬度分别为267HV、352HV和367HV；磨损后的表面硬度均有提升，分别为310HV、409HV、399HV。

磨损率的计算公式如下[10]：

式中：A为总磨损率；m1、和m2分别为试样磨损前和磨损后的质量；ρ为试样密度(通过阿基米德排水法测得45Mn2、Fe-8.0Cr-1.3C和Fe-10.0Cr-1.3C的密度分别为6.37g·cm-3、6.50g·cm-3和6.57g·cm-3)；P为磨损试验载荷；L为总磨损行程。

图4为各试样磨损表面及磨屑的扫描电子显微镜(SEM)图。不难看出，45Mn2的磨痕宽度最大(图4a)，Fe-10.0Cr-1.3C次之(图4c)，Fe-8.0Cr-1.3C最小(图4e)，这与磨损率有较好的对应关系。其中，45Mn2磨损表面可见明显的平直梨沟，表明磨粒磨损为主导的磨损机制，同时，沿往复磨损方向因受应力而引起的粘着和塑性变形导致磨屑发生冷焊，最终脱离形成剥落坑；Fe-8.0Cr-1.3C和Fe-10.0Cr-1.3C的磨损机制基本相似，以磨粒磨损为主，梨沟较浅，均存在粘着与剥落坑。此外，从图4b、d和f的磨屑形貌中不难看出，三种试样磨屑尺寸大小顺序为：45Mn2＞Fe-10.0Cr-1.3C＞Fe-8.0Cr-1.3C，小尺寸磨屑表明其产生于较浅的磨损深度，进一步说明试样磨损率较低，耐磨性较好。

图5为垂直于试样往复磨损方向的磨痕轮廓图，同样表明45Mn2的磨痕宽度和深度均大于其他两种试样；其中，Fe-8.0Cr-1.3C和Fe-10.0Cr-1.3C两种试样的磨痕轮廓曲线波动较大，主要归因于冷压成型烧结钢中存在不可避免的缝隙，经后期加工可达到更好的使用状态；

摩擦磨损可视为能量释放的过程，而摩擦因数主要受到粘着和梨沟两方面的影响，摩擦过程中产生的热加重了粘着的产生，导致摩擦因数的增加，同时，粘着产生与剥落的循环过程会导致摩擦因数的周期性波动(如图2所示)。此外，铬对碳有较强亲和力，可以减缓碳在奥氏体中的扩散，阻碍奥氏体的长大，从而细化晶粒，铬还会使共析点左移，导致珠光体数量增多，宏观上对提高材料耐磨性起积极作用。

众所周知，材料磨损性能受各种因素综合影响，仅从材料的表面硬度和摩擦因数来估计耐磨性并不严谨。在实践应用时，硬度、强度、塑性、加工硬化和断裂韧性等力学性能都是影响材料磨损行为的重要因素。回火索氏体组织使材料具有良好的综合力学性能，其强度与硬度稍逊于珠光体组织。而强度与硬度对耐磨性的影响更大，故调质处理后的45Mn2耐磨性不如其他两种材料。此外，铬的硬度较高，在球磨过程中不断破碎、细化粉末颗粒，铬含量足够多时，粉末颗粒细化程度高，流动性增强，压制性得到改善，所以Fe-10.0Cr-1.3C的密度略高于Fe-8.0Cr-1.3C。但冷压过程中产生了大量的塑性变形，在磨损过程中可提供的塑性变形空间变小，导致加工硬化能力变弱，图3磨损前后的硬度对比很好地证明了这一点。由此，虽然Fe-8.0Cr-1.3C的硬度略低于Fe-10.0Cr-1.3C，但因其具有更好的加工硬化能力，在磨损进行10min后，材料表面硬度提升发生加工硬化使前者的耐磨性得到改善，表现出较低的摩擦因数(如图2)以及良好的耐磨损性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。