低碳钢表面渗碳及其耐磨性能研究

邢泽炳，翟鹏飞，张静，张秀全

（山西农业大学 工学院 山西 太谷030801）

土壤耕作部件在工作时与泥土、砂石、树根以及杂草等接触，磨损成为其主要的失效形式。据统计，一般情况下普通犁铧在粘性土壤中作业寿命为20～35hm2，而在沙土中作业寿命仅为3.3～5.5 hm2［1］。磨损以后的耕作部件牵引阻力增大、油耗增加、工作效率降低，作业质量下降，作业成本提高。因此，耕作部件在选材和制造的时候，除了材料具有一定的韧性发生断裂外，更应该通过加工处理提高其耐磨性能。

各种表面技术如堆焊、喷涂、熔敷、化学热处理以及气相沉积等是提高材料表面性能的重要手段，广泛应用于要求耐磨、耐蚀等特殊性能的场合［2～7］。渗碳属于化学热处理，其工艺简单，成本较低，在工业上已经应用于齿轮、轴类零件等要求耐磨的零件中［3］。但对土壤耕作零部件的渗碳处理还未见相关报道。根据耕作部件的工作环境条件以及常用材料［8］，选择20钢材料，对其渗碳处理，并进行了耐磨性能对比试验，探讨此类材料及其渗碳工艺在土壤耕作部件加工中应用的可行性。

1 试验材料及方法

20钢选用热轧退火态棒材，截取并铣成10 mm×10mm×20mm的长方体块体材料，表面经800#砂纸打磨并抛光以后，用汽油清洗表面油污并放入120mm×120mm×200mm的渗碳和渗碳箱中进行处理。渗碳剂采用洛阳龙门渗剂厂生产的GSC型固体渗剂，颗粒直径3mm～5mm。使用时先在渗碳箱底部铺15mm渗碳剂，再放试样。试样间保持20mm的距离，渗碳工艺采用930℃／5h保温后空冷至室温，然后重新加热至790℃保温半小时完成奥氏体化进行水冷淬火，180℃／2h低温回火，每一个阶段均保留一组试样，供组织和性能分析，其工艺路线如图1所示。使用D8常规X－ray衍射仪进行试样表层物相分析，扫描速度1°·min－1，步长为 0.020°，铜靶。CMM－15E光学显微镜分析试样的显微组织。HV－1000型显微硬度计测量试样的表面硬度值，数据取三次测量的平均值。磨损试验使用ML－100磨粒磨损试验机测量，磨损试验机工作原理如图2所示，摩擦盘上覆盖600#标准砂纸。采用失重法记录试样每磨损500圈后的失重量。

图1 渗碳热处理工艺Fig.1 Process of carburization

图2 ML－100磨粒磨损试验机工作原理图Fig.2 Schematic diagram of ML－100wear tester

2 试验结果与分析

20钢属于低碳钢，含碳量为0.17%～0.24%，并且有少量的硅和锰，组织为铁素体和少量的珠光体，布氏硬度小于 HBS170［9］。经过表面渗碳处理，在试样的表层形成了梯度分布的渗碳层，通过X射线衍射分析发现未经渗碳的20钢只有铁素体的衍射峰，表明珠光体含量很少，X射线衍射无法探测到。而经过渗碳及淬火和回火处理以后，表层除了回火马氏体的衍射峰以外，还出现了渗碳体和一定量的Fe2O3杂质的衍射峰，说明表面渗碳并热处理以后表面含碳量达到过共晶成分，热处理以后得到回火马氏体和单质渗碳体组织，同时水冷淬火造成表面的氧化。如图3所示。

图3 X射线衍射分析Fig.3 X－ray diffraction analysis

通过金相显微分析发现，20钢渗碳层厚度约为25μm左右，表层含碳量超过共晶成分，心部仍保持低碳成分，铁素体组织经过淬火形成了低碳的马氏体组织，如图4所示。

图4 试样显微组织（400×）Fig.4 Microstructure of the sample（400×）

试样组织的不同导致显微硬度也有很大的差异，未处理的低碳钢显微硬度只有HV250，而淬火马氏体的硬度达到HV900以上，如图5所示。由图可见，在高温条件下，渗碳剂中分解出的活性碳原子极易吸附于低碳钢表面，并向内部扩散，于是在低碳钢表面一定范围内形成了碳原子的梯度分布，表层的含碳量最高，达到过共晶的成分，并形成过共晶组织，心部仍然维持低碳含量。淬火以后形成马氏体组织，而马氏体的硬度取决于含碳量的多少［9］，所以表层的显微硬度显著提高。

图5 试样显微硬度Fig.5 Microhardness of the sample

比较渗碳后炉冷试样、渗碳后重新加热淬火试样和淬火以后低温回火试样（如图5所示）的显微硬度可以发现：渗碳以后重新加热淬火试样的显微硬度最高，可达HV938，而淬火后低温回火的试样略有下降，不进行淬火的试样硬度最低。这可以从试样的组织特点加以解释，首先渗碳以后直接炉冷，渗层组织主要是珠光体和部分的渗碳体，表层硬度与渗碳体和珠光体组织的量有关，含碳量越高，组织中的渗碳体越多，硬度也越高。而经过淬火处理，发生固态相变，心部生成低碳的板条状马氏体组织，表层为针状高碳马氏体组织，具有很高的硬度，这也就是该试样具有很高硬度的原因。经过低温回火以后，马氏体变成了回火马氏体，消除残余应力，降低马氏体的过饱和度，晶格畸变有所降低，所以硬度稍有下降。

图6为试样的磨粒磨损试验结果，图中显示渗碳以后淬火低温回火的试样的失重量最小，其次是渗碳以后炉冷和渗碳以后淬火试样，结合硬度试验可以看出，试样的耐磨性能与其显微硬度之间不是线性关系，硬度最高的淬火试样并不是最耐磨的，反而经过低温回火处理以后的试样磨损率最小。因此，可以认为在磨粒磨损过程中，硬度并不是决定材料耐磨性能的唯一因素，而是与材料的组织有关。

图6 试样磨损失重量Fig.6 Testing for wear mass loss of the sample

图7为试样经过磨损以后的表面形貌，从图中可以看出，三个试样表面均为硬质点滑擦所形成的犁沟型式磨损［5］，但是由于试样摩擦表面组织的不同，这种犁沟的峰谷深度以及分布状况有一定的差异。未经任何处理的20钢存在较深的犁沟，而且犁沟间距很不均匀，说明由于铁素体组织硬度小，在受到硬磨粒磨损时表现出的不可抗拒性。而经过渗碳和热处理以后的试样磨痕小且分布均匀，显微硬度更高的淬火试样犁沟最浅，但是存在着硬质点的剥落现象，而回火以后的试样则表现为整体均匀的磨损，所以从磨损失重上看，回火以后的试样最小。

3 讨论

低碳钢渗碳、淬火和低温回火以后，心部仍然保持低碳成分，组织为板条状的低碳马氏体，该组织具有很好的塑性和韧性，是渗碳钢保持心部冲击韧性的重要保证。表层由于渗碳获得高碳层，并经过淬火得到了高碳的针状马氏体组织，马氏体的硬度只取决于碳的含量［9］，因此，表层组织经过渗碳和淬火可以获得很高的硬度。

使用20钢表面渗碳及淬火回火热处理的材料作为耕作部件使用，兼顾到此类零部件工作时与土壤、砂石的摩擦磨损和冲击。土壤的主要成分为SiO2，其显微硬度可到 HV1000以上［10］，经过渗碳以及淬火回火的试样的表面硬度已经非常接近，这是提高表面耐磨性能的主要因素。土壤中的磨粒磨损实质是一种微切削与疲劳破坏的综合作用过程，磨损过程形成的犁沟实际上是正应力与表面切应力共同作用的结果［11］，因此对于硬度很高的材料，在正应力作用下抵抗磨损的能力较强，失重较小，在切应力作用下会呈现疲劳层状剥落现象，硬度越高这种剥落现象越明显。因此耕作部件在土壤中的耐磨性能并不是与硬度成线性相关。

图7 试样的磨损表面形貌（50×）Fig.7 Surface morphology of wearing sample（50×）

淬火以后的针状马氏体组织实际上是过饱和的铁素体，引起晶格的严重畸变，同时伴随着大量的晶体位错和孪晶等，因此具有极高的硬度。回火以后通过碳化物的析出降低了马氏体的过饱和度，减小晶格畸变，内应力得到消除，组织更趋向于平衡状态，因此回火马氏体的硬度略低于淬火马氏体。但是从磨损试验结果可以看出，回火试样比淬火试样更耐磨。很显然，在抵抗低应力磨粒磨损的过程中，材料的组织既要有一定的硬度，同时还必须具有一定的韧性，同时抵抗正应力和切应力的作用才能具有更好的耐磨性能。正是由于这个原因，回火马氏体的耐磨性能优于淬火马氏体。

通过摩擦磨损试验分析发现，在相同的条件下，20钢渗碳后淬火加低温回火得到的表面硬化层，其耐磨性能是不经过处理的20钢的5倍，因此可以认为，在土壤中既要求具有很好的耐磨性能，同时还必须经受工作时的冲击载荷的耕作部件，采用低碳钢制造，并经过渗碳、淬火和低温回火处理是比较理想的选择，对于提高耕作部件的使用性能，降低成本具有积极的意义。

4 结论

（1）材料的耐磨性能不但与材料的表层硬度有关，而且与材料的韧性相关。从抵抗摩擦磨损的角度来说，回火马氏体组织兼顾硬度和韧性，比淬火马氏体有更好的耐磨性能，是理想的耐磨组织。

（2）20钢表面渗碳、淬火和回火以后的表层组织为回火马氏体组织，可以承受耕作部件工作时土壤颗粒的冲击和磨损，满足其使用性能要求。

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