高硬金属加工过程中表面白层的研究

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:1

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(3)一定厚度的薄层：白层的厚度取决于形成条件和原始组织，不同摩擦、磨损条件下白层的形貌差别很大，白层厚度一般在0.1～100μm之间，最常见的厚度为10～50μm。

(4)超细晶粒度：白层的晶粒尺寸通常在几十至数百纳米，这可能是表面塑性应变积累、二次淬火马氏体转变、纯机械的冷加工或摩擦热导致再结晶等所致。

(5)存在裂纹：白层中普遍存在与表面呈不同角度的微观裂纹，它们对进一步的磨损行为有非常重要的影响。

(6)塑性变形大：在各种磨损白层中都可观察到高应变、高位错密度、孪晶和滑移线等大量塑变存在的证据，还有人指出白层具有明显的形变织构特征。

(7)具有与基体相同的化学成分和晶体结构。

2.2 白层的形成机制

随材料的原始组织不同，白层的组织、形态及性能都有不同。Xu L Q等学者发现，随C含量的增加白层厚度也增加，且白层形成于含有残余奥氏体、贝氏体及低温回火马氏体等组织的材料中，这说明一定量的奥氏体对白层的形成有着重要作用。合金化程度对白层的形成也有影响。Bill R C等学者的研究表明，材料的层错对白层组织结构具有重要作用，不论白层以何种机制形成，表面的塑性变形和摩擦热的来源只能是法向载荷。

至今对白层的形成机制仍有争议，国内外学者对白层的形成机制做了大量的实验、理论分析和研究，主要形成以下几种观点：

(1)摩擦热作用机制：Stead教授提出了白层形成机制的经典模型，即白层是摩擦过程中在局部区域摩擦热导致高温（摩擦过程中的温度足以达到或超过平衡α-γ相变温度），使表面局部区域发生奥氏体化，随之表面快速淬火形成马氏体组织。由于转变快，没有足够时间进行奥氏体重结晶，马氏体在严重形变奥氏体中形成，所得马氏体不同于常规马氏体。通常认为白层是由奥氏体、马氏体和碳化物组成。该模型的重要特点是在白层的次表层存在温度影响下形成的回火层，其特征是在硬度曲线上呈现软化峰。

(2)塑性变形机制：不少研究认为，摩擦表面的严重塑性变形在白层的形成过程中占有重要地位，白层只是由塑性变形得到的非常规马氏体，磨损过程中的高度塑性变形导致了白层内部的细晶结构。杨业元等人在高碳低合金钢高应力冲击磨损实验中观察到钢中白层具有多种位错组织，由磨损外表向里依次出现细条状、不规则缠结胞状、多边网状和等轴晶状位错组态，认为白层是高度变形的区域，具有多种位错组态，它的形成属于形变机制。许云华等人认为，白层是高度塑性变形、铁素体晶粒严重细化、渗碳体细化溶解消失的区域，它的形成属于形变细化溶解机制。

此外，关于白层的形成机制还有热—机械机制、再结晶机制、迁移机制和化学反应机制等论点，虽然都有一定的实验和理论依据，但未达成共识。

2.3 白层对工件性能的影响

白层对后继的磨损行为有两方面的作用：一是白层的高硬度可提高抗磨能力；二是一方面由其脆性导致的裂纹在白层/基体界面上扩展，导致大块的颗粒按剥层方式脱落；另一方面在形成新相的同时伴随着裂纹的萌生，白层导致疲劳裂纹的形核。Gangopad-hyay等人观察到在白层处有大裂纹平行于表面形核并快速扩展。Tonshoff指出白层使弯曲疲劳强度降低，可能与残余拉应力有关。也有学者认为白层的出现是有利因素。Tomlinson等人发现，在磨粒磨损过程中，较薄的白层表面尖峰易被磨掉，使表面更易划伤；相反较厚的白层在几百米的跑合距离内表现出较好的抗磨能力，表面划伤也少，且白层厚度越大抗磨能力越好。Mashloosh等人也认为白层增加了表层硬度和具有高热稳定性，降低了磨粒磨损的程度，增加了抗磨能力。

3 硬态切削过程中被加工表面的白层

硬态切削过程中出现的白层，是工件表面完整性的组成之一，其组织形貌特征和形成机制引起了国内外学者的重视。

文东辉等人采用PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢时发现，工件表层和亚表层的组织状态由均匀分布的隐晶马氏体和结晶马氏体以及少量的残留奥氏体组织转变为主要是针状的马氏体、伴随大量析出的碳化物和少量的残留奥氏体的金相组织(图1)。认为是硬态切削过程产生大量的切削热、精加工切屑体积较小，使切削温度很容易超过GCr15轴承钢的Ac1(750～795℃)，表层组织重新奥氏体化，切削后工件在空气中高速旋转得到快速冷却，避开了等温冷却中的“C”曲线，奥氏体将避免在临界温度以下的较高温度范围内发生转变，而全部被保留到较低温度进行马氏体转变；马氏体转变过程中会发生体积的膨胀，未转变的奥氏体受到各方面的压缩使一部分奥氏体保留下来，故冷却到室温时的组织主要为马氏体和少量的残余奥氏体；奥氏体中的含碳量仅为钢中含碳量的37%，在快速冷却时碳未能完全溶解，故在表层也可以观察到析出的碳化物。还观察到切削过程中的白层厚度随刀具后刀面的磨损量增加而逐渐增加，认为刀具后刀面磨损量的增大使切削过程中热量增多，切削温度很高，是影响工件表面白层形成的主要因素。此白层结构不存在亚表层所谓的回火软化层，而摩擦学白层的硬度分布在亚表层有一个明显的梯度。

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