氮碳共渗DC53工具钢腐蚀和磨损现象Erosion and wear behavior of nitrocarburized DC53 tool steel.docx
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氮碳共渗DC53工具钢腐蚀和磨损现象ErosionandwearbehaviorofnitrocarburizedDC53toolsteel
氮碳共渗DC53工具钢腐蚀和磨损现象
ErosionandwearbehaviorofnitrocarburizedDC53toolsteel
Dong-CherngWen
Wear268（2010）629–636
摘要：
本文研究了氮碳共渗保温时间对DC53工具钢浆体冲蚀和磨损性能的影响。
DC53工具钢样品已在570℃条件下分别氮碳共渗2、4、6小时，样品微观结构和渗层硬度也已进行了分析。
冲蚀性能试验是用浆体从不同冲击角度进行喷射，并通过环块（block-on-roller）干式磨耗试验进行磨损检测。
此外还会测量样品表面粗糙度。
结果表明白色复合层是由大量ε-氮化物（（Fe3N）和少量γ’-氮化物（（Fe4N）组成。
氮碳共渗工艺不仅增加了样品硬度而且还减少了其摩擦系数。
此外，氮碳共渗试样的冲蚀速率和磨损量也减少。
同时还发现氮碳共渗试样的抗磨损性能与扩散层深度的增加有关。
冲蚀实验中，当冲击角度为30°时所有样品的冲蚀速率均为最大，在这种情况下，被冲蚀的表面出现了沟槽和切削刃（ploughgroovesandcuttinglips）;然而，未经处理试样上的冲蚀痕迹更深更广。
氮碳共渗后，较温和的磨料磨损取代了严重的粘着磨损。
随着氮碳共渗保温时间的增加冲蚀速率降低，但磨损性能包括磨耗量，摩擦系数，磨损机理及磨损槽的宽度没有明显变化。
关键词：
钢，扩散处理，冲蚀磨损，润滑磨损，硬度
1．引言：
由于具有较高的硬度，冷作工具钢被广泛用于金属成形和模具生产行业及其他诸多领域。
在实际应用中，如模具或工具，随着使用寿命延长，其继续有效使用的关键在于材料的性能必须符合要求，如尺寸稳定性、优越的机械强度和高耐磨性。
有了这样严格的要求，许多热化学处理工艺，如氮化[1]，渗碳[2]，氮碳共渗[3]和渗硼[4]等，为改性提供了方法。
其原理就是在材料表面形成一个又硬又薄且具有合适耐磨性的薄壳，其中包裹着大量材料从而提供合适的机械性能。
相比传统的气体渗氮，液体氮碳共渗处理（NC）被视为一种有效、低成本且具有诸多优势的工艺，如较低的处理温度，较短的处理时间，较高的形状和尺寸稳定性及再现性[3]等。
在液态氮碳共渗时，氮的扩散形成了紧凑的微观组织层，并且很好的附着在基体上。
硬化层可以细分为化合物层和扩散区。
化合物层由ε-氮化物（（Fe3N），γ’-氮化物（（Fe4N）或者混合氮化物（ε+γ’）组成，这些保证了表面良好的润滑及防腐性能。
复合层的磨损现象取决于许多因素，如成分、复合层厚度和机械载荷模式等[5-8]。
然而，扩散区的N和C原子间隙固溶在铁素体基体内，从而改善了材料抗疲劳性[9]。
关于氮碳共渗对不同的合金和钢材的微观结构及性能的影响，文献中也已进行了研究。
[10-12]
DC53是日本DaidoSteel发明的新型冷作工具钢，它是由传统冷作工具钢JISSKD11改进的。
DC53消除了SKD11高温回火后硬度和韧性不足的缺点，并将在普通用途领域代替SKD11的使用[13]。
由于DC53是一种新型工具钢，文献中关于其冲蚀和磨损性能的信息十分少。
因此，本实验的目的是探讨氮碳共渗保温时间对DC53工具钢冲蚀和磨损性能的影响。
2．实验细节
2.1材料与技术
在这项研究中所使用的材料是DC53工具钢，它是通过商业形式获得的厚度15毫米锻造钢板。
其化学成分采用Leco的GDS-750辉光放电发射光谱仪分析，如表1所示。
表1.DC53钢化学成分（wt.%）
试样是从DC53钢板上切割的，其中摩擦实验试样尺寸为12.7mm×12.7mm×12.7mm，冲蚀实验试样尺寸为50mm×35mm×10mm。
试样先被加热到1010◦C保温1小时，油淬，在530◦C二次回火2小时，然后空气冷却。
每个试样上钻有直径3毫米的孔，用一根钢丝穿过，从而可以方便的把样品放入盐浴中。
在氮碳共渗处理之前，使用＃1200碳化硅（SiC）砂纸打磨试样，使试样具有相同的表面粗糙度（Ra=0.04微米），随后用丙酮和甲醇清洗。
最后，将试样烘干并放入盐浴中。
试样浸入盐浴之前，先在空气循环炉（鼓风炉）（时度____________________________________________________________________________________________________________________________中预热至350℃并保温1小时。
然后在570◦C盐浴（主要含有钾，钠溶解氰酸盐及少许碳酸盐）中进行氮碳共渗处理，试样分别保温2，4和6h，最后在空气中缓慢冷却至室温。
氮碳共渗处理后，所有试样用酒精超声清洗15分钟，以消除表面上的浴盐。
在这项研究中，未经处理的试样和经过2，4，和6小时氮碳共渗的试样分别标为NC-0，NC-2，NC-4，和NC-6。
冲蚀和磨损试验之后，再次用超声清洗每个试样，然后用暖风干燥。
重量损失是由精度为10-5克的DANDER-182A电子称测量。
利用OlympusBHM光学显微镜观察氮化层，并通过采用CuKα射线的ShimadzuX射线衍射仪（LabXXRD-6000）研究氮化层结构。
试样的显微硬度试验采用了Future-Tech的FM-7自动测试仪，载荷50克，时间15秒。
每个试样测量6次获得平均硬度值。
表面粗糙度Ra的大小是通过MitutoyoSurftest-III表面粗糙度测试仪测定的。
最后，对试样的磨损表面采用日本JEOL的JSM-5600扫描电子显微镜进行观察。
图1.浆体冲蚀试验中碳化硅颗粒形貌扫描电镜照片
2.2浆体冲蚀实验
浆体冲蚀实验采用美国材料试验学会的标准实验方法（G73-93、G76-95）进行实验[14,15]。
在浆体冲蚀实验中，一股含有高纯度（99.6％）、不规则形状碳化硅颗粒的水溶液，从直径5mm的喷嘴中喷射而出（图1），冲击在距离喷嘴20mm以外的试样上。
该冲蚀颗粒的硬度为2700HV0.025，仪器结构细节见图2，冲蚀实验参数见表2。
冲击速度用双盘旋转法测定[16]。
冲蚀率的定义是单位质量冲击颗粒造成的试样表面的质量损失。
图2。
冲蚀检测设备的配置
表2.本研究中的冲蚀实验参数
冲击角度（◦）
15,30,45,60,75,90
冲击速度（m/s）
45.5
冲击介质
纯净水和纯净SiC颗粒混合液
微粒流量（g/min）
2±0.5
微粒尺寸（μm）
95–135
冲蚀时间（h）
2
实验温度（◦C）
25
图3.磨损试验机示意图
2.3摩擦和磨损试验
摩擦磨损试验使用英国Plint有限公司的环块（block-on-roller）TE53磨损试验机，在200rpm转速、42N接触载荷且无润滑的条件下进行。
磨损试验机的示意图如图3所示。
轧辊材料为经过淬火和回火的AISI-O1工具钢，其洛氏硬度为65，厚度为20mm。
根据简化二维平面应变接触模型下的赫兹弹性接触理论，最大压力（P）为：
P=（F*E*/Rπ）1/2，其中F*是单位长度的载荷，R是相对曲率半径，E*=E/（1−ν2）[17]。
假设DC53工具钢的杨氏模量为200GPa、泊松比为0.3，则最大接触压力（≈90兆帕）小于其屈服强度（>1200兆帕）的7.5％。
这种接触压力在正常情况下不会造成复合层脱层，因为塑性变形不会在磨损试验开始时发生。
每2000个周期记录一次样品质量损失，总共记录10000个周期。
3．结果与讨论
3.1微观结构
图4所示为NC-2和NC-4试样的截面微观结构。
观察图4（a）可以发现NC-2试样微观组织中的回火马氏体分散在合金碳化物的核心及氮化层的外部。
X射线衍射表明（图5a），该层主要含有α-Fe，同时观察到一些ε-氮化物和γ’-氮化物的弱峰。
这与没有在扩散区上观察到明显复合层的事实一致。
扩散区的显微组织为分散在α-Fe（C,N）基体上的细小合金碳化物。
相反，NC-4试样的微观组织由三个独立的层组成（图4b）：
最上面的复合层厚度为15~18微米，其下方的扩散区厚度为60~70微米，然后是基体。
该试样的X射线衍射图（图5b）表明，化合物层中的氮化物由大量ε-氮化物（Fe3N）和少量γ’-氮化物（Fe4N）组成。
由于γ’-氮化物主要分布在复合层内部，因此只有一个衍射峰出现，且强度较弱。
由于NC-4试样表面形成致密且较厚的化合物层，α-Fe相的峰几乎消失。
图4.NC-2（a）和NC-4（b）试样的横截面显微组织
3.2显微硬度
氮碳共渗试样显微硬度如图6所示。
最大表面硬度的范围在980-1120HV0.05之间，而基体的显微硬度约为750HV0.05。
基体的显微硬度值由之前热处理（淬火，二次回火）产生的回火马氏体决定。
这明显表明，氮碳共渗试样的硬度比基体材料大约增加了1.3-1.5倍。
NC-4和NC-6试样的显微硬度图中存在平台。
由于ε-氮化物（Fe3N）和γ’-氮化物（Fe4N）的硬化作用，化合物层和扩散层的硬度随着与表面距离的增加下降缓慢。
然而，NC-2试样的硬度随着与表面的距离的增加而逐渐下降。
渗层深度由日本标准JISG0562-93定义，即：
“渗层深度为渗层表面到比基体高50单位维氏硬度的点的距离。
”由此通过形态观察确定NC-2、NC-4、NC-6的深度分别为42、85、96微米。
将其和Qiang等人研究的SAE-1045轴承钢570◦C下氮碳共渗1.5h的报告进行对比[8]，结果发现DC53工具钢经过氮碳共渗后表面硬度要高得多，但其渗层厚度非常薄。
由于DC53工具钢中Cr,Mo,Ti,V等合金元素促进了合金氮化物的形成，一方面提高了表面硬度，另一方面阻止了渗层深度的增加。
图5.NC-2（a）和NC-4（b）试样XRD衍射图样
图6.氮碳共渗试样的显微硬度
图7.当冲蚀角度为30°（a）和90°（b）时，未经处理和经过处理的试样累计质量损失相对于时间的关系图
3.3冲蚀现象
3.3.1冲蚀导致的质量损失
图7（a）和（b）分别表示了当冲蚀角度为30°和90°时，未经处理和经过处理的试样累计质量损失相对于时间的关系。
在其他冲蚀角度时，累计质量损失相对于时间的关系与图7（a）和（b）近似，因此这里省略。
从结果中可以清楚的看出，较硬的表面可以降低质量损失。
未经处理试样的质量损失最大。
从图7（a）和（b）中可以看出，四个试样的质量损失均随冲蚀时间的增加而线性增加。
这表明冲蚀腐蚀机制没有明显变化，意味着，无论冲击角度如何变化，材料在冲击过程中不断遭到冲蚀破坏。
然而，试样在受到30°角冲蚀时的质量损失比90°角冲蚀时的质量损失大。
这表明，冲击角度也可以影响DC53工具钢的冲蚀性能。
3.3.2冲蚀速率
图8显示了经过2-h实验后，未处理的和经过处理的试样其冲蚀速率与冲蚀角度之间的关系。
所有试样的冲蚀速率都体现了一个简单的变化趋势，冲蚀速率随着角度从15度到90度的变化先增大后减小，并且在30°左右达到最大值。
这是一个典型的塑性冲蚀现象[19]。
对于韧性材料，在低冲击角度冲击时，因为斜向剪切力的作用通过微切削增加材料损失[20]，由此造成冲蚀速率提高。
在高冲击角度时，被分解的普通应力会产生积累伤害，主要来自疲劳、微小形变（microforging）和挤压过程。
这些过程只能产生轻微的损害，比低冲击角度冲蚀时切削产生的损害要轻。
因此，30°角时出现最大冲蚀速率。
如图8所示，经过氮碳共渗的试样具有较低的冲蚀速率。
此外，氮碳共渗试样的冲蚀速率随保温时间的增加而下降，即随着渗层深度和表面硬度的增加侵蚀率降低。
这种改善即使在高角度冲蚀时也有效，因为氮碳共渗使表面硬度增加时并不伴随着基体韧性下降。
图8。
经过2-h实验后，未处理的和经过处理的试样其冲蚀速率与冲蚀角度之间的关系
图9.NC-0和NC-2试样在最大冲蚀速率下（冲蚀角为30°）冲蚀后的表面形貌
3.3.3．冲蚀痕迹
NC-0和NC-2试样在最大冲蚀速率下（冲蚀角为30°）冲蚀后的表面形貌见图9。
由于相对较低的硬度，NC-0试样表面在冲蚀试验后变形严重。
在图9（a）中可以看到，被冲蚀的表面出现了明显的沟槽和切削刃，以及其它又广又深的冲蚀痕迹。
NC-2试样的冲蚀痕迹只在表层。
从图9（b）中可以看到沟槽和切削刃，但冲蚀损伤比NC-0试样轻。
此外，随着氮碳共渗保温时间的延长，试样上的冲蚀痕迹变得更浅。
这一结果表明，冲蚀速率随氮碳共渗时间增加而下降，就如图8所表示的。
3.4摩擦性能
3.4.1摩擦引起的质量损失
图10显示了所有试样因摩擦而导致的累计质量损失。
可以看出，在累计质量损失和摩擦周期之间存在线性关系。
这表明磨损机制没有发生明显的变化，意味着在磨损试验中试样的损失是一定的，图线斜率代表了磨损过程（磨损率）的强度。
由于试样表面氮化层的影响，经过氮碳共渗处理的试样，其耐磨性是未经处理试样的4.4~6.7倍。
此外，磨损量随着氮碳共渗保温时间的增长而略有下降。
NC-2试样的扩散区深度为42微米，略小于NC-4试样的60微米，并且NC-2试样中未发现化合物层（见图4）。
这一观察证实，氮碳共渗试样的抗磨损性能和扩散区深度的增加有直接关系。
材料的负载能力可以随扩散区深度的增加而增加。
因此，NC-2试样的耐磨性低于NC-4和NC-6试样。
图10.所有试样因摩擦而导致的累计质量损失
图11.NC-0（a）、NC-2（b）、NC-4（c）、NC-6（d）试样的摩擦系数和摩擦周期关系图
3.4.2摩擦系数和表面粗糙度
图11显示了所有试样的摩擦系数。
NC-0试样具有较高的摩擦系数，其摩擦系数的平均值为0.8（图11a）。
对于3个经过氮碳共渗处理的试样，摩擦系数值降低了12.5%，只有0.7。
未经处理试样较高的摩擦系数可以归结于：
其实验中出现的附着现象比经过处理的试样更强。
当忽略试样表面的薄膜时，粘着磨损理论表明，摩擦系数可以由下式表示：
μ=τf/σy。
这就是说，摩擦系数和接触面的抗剪强度τf成正比，和金属基体的抗压强度成反比。
因此τf越小且σy越大，则摩擦系数越小。
人们普遍认为，由于表面化合层具有金属间化合物结构，化学热处理通过扩散区强化了金属基体，因此一方面增加了σy，一方面又减少了τf。
这两个因素的结合可以显著降低摩擦系数。
如图11（a）所示，由于相对较低的表面硬度，摩擦系数曲线出现了迟滞现象。
当两个表面接触时，接触表面发生附着现象使两个表面紧紧的黏在一起。
摩擦力增强，结果摩擦系数上升。
当某些点的切向力足以克服在界面上的附着力时，产生破裂，摩擦力下降。
只要继续磨损试验：
附着，产生附着力，界面粘接，结合断裂和产生滑动的过程会一直重复。
经过氮碳共渗处理的试样其摩擦系数比未经处理试样的摩擦系数稳定。
这极有可能是由于白色层的润滑作用抑制了动态效应，因此摩擦系数不随时间变化。
另一个原因是保护在试样表面的ε-氮化物相，其对减少摩擦有重要影响。
大概是因为它的层状六方密排组织，它可以轻松地沿基面滑动，并减少在摩擦时产生的热量。
另外，ε-氮化物相的非金属性使其对金属的附着力较差，从而降低了附着力对摩擦系数的影响。
图12.试样在磨损试验前后的表面粗糙度
试样在磨损试验前后的表面粗糙度如图12所示。
淬火和回火工艺将基体材料的表面粗糙度由0.4提高至0.9微米。
氮碳共渗后，表面氮化物的形成使表面粗糙度再次增加。
然而经过氮碳共渗处理的试样，其表面粗糙度不随氮碳共渗保温时间变化。
这种现象可能是由于最初的淬火和回火试样晶粒尺寸较大，制约了氮碳共渗复合层的进一步增长。
磨损试验后，较强的附着痕迹使得NC-0试样的表面粗糙度由0.9微米增加到3.7微米，然而经过氮碳共渗处理的试样，其表面粗糙度却由1.21~1.25微米减至0.09~0.35微米。
表面粗糙度下降原因可能是因为：
磨损试验相当于对氮碳共渗试样复合层进行机械抛光。
图13.经过10000次磨损周期后，NC-0（a）、NC-2（b）、NC-4（c）、NC-6（d）试样磨损表面的磨痕
3.4.3磨损痕迹
经过10000次磨损周期后，试样磨损表面的磨痕见图13。
由于相对较低的硬度，NC-0试样的磨损为断裂（sever）机制，导致金属表面非常粗糙，存在剥离现象、磨损沟槽和塑性变形区（见图13a）。
这是典型的粘着磨损现象，也证实了图11a所示的迟滞现象和粗糙的表面（Ra=3.7μm）。
由于试样在环形滑块上进行实验，接触应力会导致摩擦开始时试样表面粗糙破裂（asperityfracture）。
在这种条件下，试样和滑块之间的粗糙破裂被碾碎，产生少量磨损颗粒，从而随着摩擦距离的增加，NC-0试样的磨料磨损和黏着磨损更容易发生。
因此，NC-0试样的磨损率高于经过氮碳共渗处理的试样。
对于NC-2试样，扩散层有助于表面硬度的增加，从而减少粘着磨损并使表面粗糙度值（Ra）降低至0.35微米。
此外从图13（b）中可以看到一些塑性变形区。
另一方面，由于外表面复合层的形成，NC-4和NC-6试样的外观较为平滑，磨损较少，就如图13（c）、（d）所示。
在磨损试验中，高应力的脆性复合层可能发生断裂，然后转化为研磨颗粒。
因此粘着磨损减少而磨粒磨损成为主导机制，使试样具有更稳定的摩擦系数曲线及低表面粗糙度值（Ra），仅为0.17~0.09微米。
通过仔细观察NC-4和NC-6试样磨损表面的形貌（图13c和图13d），很明显，经过氮碳共渗的试样产生了一致的磨损现象。
实验没有观察到可能导致严重磨损的裂纹和明显脱层现象，这是因为硬化层和基体之间的结合强度较高。
由于基体具有足够的硬度（750HV0.05），可以容纳一定的塑性变形，因此避免了氮碳共渗时产生断裂和分层等不良状况。
比较图13b和图13d，可以发现磨损槽的宽度没有明显不同。
这可能是因为这些氮碳共渗试样的初始粗糙度水平较为接近（1.21~1.25微米）。
文献[23]显示了初始表面粗糙度对摩擦系数和磨损的影响，较小的表面粗糙度可以减少磨损和摩擦系数。
在本实验中，所有氮碳共渗试样的初始表面粗糙度较为接近，这说明碎片颗粒的大小较为接近。
因此，氮碳共渗试样的磨损沟槽之间的宽度差距也有限。
4．结论
本文研究了氮碳共渗保温时间对DC53工具钢浆体冲蚀和磨损性能的影响。
完成了从不同角度喷射的浆体冲蚀实验和10000次磨擦周期的环块（block-on-roller）磨损试验。
这些研究的主要结论可归纳如下：
1．经过氮碳共渗处理的DC53工具钢表面产生富含ε-氮化物的化合层及/或扩散区。
氮碳共渗试样的硬度比基体材料大约增加了1.3-1.5倍。
延长氮碳共渗保温时间可以提高表面硬度及渗层深度。
2．经过氮碳共渗的试样比未经处理的试样拥有更好的浆体冲蚀耐腐蚀性，甚至是在更高的喷射角度。
此外，由于渗层深度和表面硬度的增加，氮碳共渗试样的冲蚀速率随氮碳共渗保温时间的增加而增加。
3．无论试样是否经过氮碳共渗处理，当喷射角度为30°时，此时冲蚀速率最大。
在这种情况下，被侵蚀的表面出现了明显的沟槽和切削唇，但未经处理的试样其冲蚀痕迹更深更广。
随着氮碳共渗保温时间的增加，试样的冲蚀痕迹变得越来越浅。
这个特点导致了冲蚀速率的减小。
4．未经处理的试样由于附着力强的特点而磨损严重，从而不仅拥有相当不稳定的摩擦系数，也拥有最高的干摩擦磨损率。
在另一方面，所有经过氮碳共渗处理的试样表现出相对较低而稳定的摩擦系数和较低的磨损率。
磨损性能的提高被认为是硬化层组织和高表面硬度综合影响的结果。
此外，扩散层深度的增加也影响氮碳共渗钢的抗磨损性。
5．经过氮碳共渗处理后，DC53工具钢的磨损机制发生了改变。
比较温和的磨料磨损取代了严重的黏着磨损。
，磨损试验后，未经处理试样的表面粗糙度大幅增加，但所有经过氮碳共渗处理的试样，其表面粗糙度却减小了。
然而，碳氮共渗试样的磨损性能，包括磨损，摩擦系数，磨损机理及磨损槽的宽度等，并没有随着保温时间的增加而变化。
感谢：
作者在此衷心感谢国家科学委员会（Taiwan,RepublicofChina）依据合同提供的资金支持，合同为NSC92-2622-E-157-011-CC3。
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