第51卷 第1期 ·52· SURFACE TECHNOLOGY 2022年1月
收稿日期：2021-03-19；修订日期：2021-05-25 Received ：2021-03-19；Revised ：2021-05-25
基金项目：黑龙江省自然科学优秀青年基金（YQ2019E032）；国家重点研发计划子课题（2017YFC1601905—04）
Fund ：Supported by Natural Science Excellent Youth Foundation of Heilongjiang Province (YQ2019E032); National Key Research and Development Program Sub-topics (2017YFC1601905—04) 作者简介：王志明（1997—），男，硕士研究生，主要研究方向为农机材料的摩擦磨损与防护。 Biography ：WANG Zhi-ming (1997—), Male, Master’s degree, Research focus: friction, wear and protection of agricultural machinery material. 通讯作者：李庆达（1982—），男，博士，教授，主要研究方向为金属材料的摩擦磨损与防护。
Corresponding author ：LI Qing-da (1982—), Male, Doctor, Professor, Research focus: friction, wear and protection of metal material. 引文格式：王志明, 李庆达, 汪昊, 等. 超声冲击对65Mn 钢渗铬层摩擦磨损性能的影响[J]. 表面技术, 2022, 51(1): 52-59.
WANG Zhi-ming, LI Qing-da, WANG Hao, et al. Effect of Ultrasonic Impact on the Friction and Wear Properties of Chromized Layer of 65Mn Steel[J]. Surface Technology, 2022, 51(1): 52-59.
超声冲击对65Mn 钢渗铬层摩擦磨损性能的影响
王志明，李庆达，汪昊，王宏立，胡军，赵胜雪
（黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319）
摘 要：目的 提高65Mn 钢的固体粉末渗铬层厚度和耐磨性能。方法 对65Mn 钢进行超声冲击（UI ）和固体粉末渗铬（SPC ）相结合的复合工艺处理。采用X 射线衍射仪（XRD ）、光学显微镜（OM ）、扫描电镜（SEM ）和能谱仪（EDS ），研究UI+SPC 复合工艺处理后65Mn 渗铬层的物相结构、厚度及元素分布。通过显微维氏硬度计、摩擦磨损试验机研究渗铬层的显微硬度和摩擦磨损性能。结果 SPC 处理试样的渗层厚度约为45 μm ，UI+SPC 复合工艺处理试样的渗层厚度约为58 μm ，相比SPC 试样，渗层厚度提高了13 μm 。渗铬层表面均匀致密，主要相组成为(Cr,Fe)23C 6、(Cr,Fe)7C 6、Cr 2C 。UI+SPC 试样渗层表面硬度达1659HV ，约为基体表面硬度的6倍，且硬度从表面至心部呈梯度下降。UI+SPC 试样表面渗铬层具有较好的耐磨性能，平均摩擦系数为0.170，磨损量约为基材的1/4，其主要磨损机理为粘着磨损和氧化磨损，伴随着磨粒磨损。结论 UI 可有效提高SPC 工艺的Cr 原子扩散性能，提高渗铬层厚度。相比于单一的SPC 处理试样，UI+SPC 复合工艺处理试样渗铬层的 耐磨性显著提高。UI 处理的加入，使SPC 试样的磨损机理由“磨粒+粘着”转化为“粘着、氧化+磨粒”。
关键词：超声冲击；固体粉末渗铬；渗铬层；磨粒磨损；氧化磨损；粘着磨损 中图分类号：TG115.5+8；TH117.1 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2022)01-0052-08
DOI ：10.16490/jki.issn.1001-3660.2022.01.005
Effect of Ultrasonic Impact on the Friction and Wear Properties
of Chromized Layer of 65Mn Steel
WANG Zhi-ming , LI Qing-da , WANG Hao , WANG Hong-li , HU Jun , ZHAO Sheng-xue
(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)
ABSTRACT: This paper aims to improve the solid powder chromized layer thickness and wear resistance of 65Mn steel. The composite process of ultrasonic impact (UI) and solid powder chromizing (SPC) is carried out on 65Mn steel. The phase structure, thickness, and element distribution of the 65Mn chromized layer after UI + SPC treatments are studied by X-ray diffractometer (XRD), optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM) and energy dis
功能性食品论文persive spectrometer (EDS). The microhardness and friction- wear properties of the chromized layer after UI + SPC treatments are investigated by the
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第51卷第1期王志明等：超声冲击对65Mn钢渗铬层摩擦磨损性能的影响·53·
microhardness tester and friction-wear tester. The results demonstrate that the thickness of the chromizing layer is 45 μm by the UI treatment and the thickness is 58 μm by the UI + SPC treatment, 13 μm thicker than the former. The surface structure of chromized layer is uniform and compact, and the main phase composition is (Cr,Fe)23C6, (Cr,Fe)7C6 and Cr2C. The surface hardness of the chromized layer reaches 1659HV by UI+SPC treatment, which is about six times of the surface hardness of the substrate, and the hardness distribution of the chromized layer show gradient descent from the surface to the inside. The surface chromized layer of the 65Mn steel has good anti-wear properties after UI + SPC treatment. The average friction coefficient is
0.170, and its wear weightlessness is about one-fourth of the that of the substrate. The dominating wear mechanism of UI+SPC
sample is adhesive wear and oxidation wear, associated with slight abrasive wear. UI can effectively enhance the Cr atom diffusion property of SPC process and improve the thickness of chromized layer. Compared with SPC treatment, the wear resistance of the sample is significantly improved by UI+SPC treatment. With the addition of UI treatment, the wear mechanism of SPC samples changes from “abrasive + adhesive” to “adhesive, oxidation + abrasive”.
KEY WORDS: ultrasonic impact; solid power chromizing; chromized layer; abrasive wear; oxidative wear; adhesive wear
与普通碳钢相比，65Mn弹簧钢具有良好的淬透性、较优的综合力学性能、脱碳倾向小和价格低廉等优点，被广泛应用于工程机械上，常用作生产弹簧、垫片、刀具、磨床主轴等机械零部件[1-2]。65Mn钢零部件的服役环境多数情况下较为恶劣，主要发生的失效方式为磨损失效。我国每年因机械零部件磨损失效，造成了巨大的经济和能源损失[3]。如何提高65Mn 钢零部件的耐磨性能，延长其使用寿命，降低成本和能耗，具有重大的意义。目前，国内外一些学者常采用堆焊、熔覆、喷涂、化学热处理、气相沉积等表面处理技术，来提高机械零部件的耐磨性能[4-8]。
固体粉末渗铬（Solid Power Chromizing, SPC）作为化学热处理技术之一，与气体渗铬、离子渗铬、盐浴渗铬工艺相比，具有加工简单、成本低等优点[9]。通过SPC处理，可在钢构件表面获得渗铬层，
不仅能够提高钢构件表面的耐腐蚀、耐高温氧化性能，还可有效提高其表面的耐磨性能[10-11]。Dong等[12]研究表明，通过SPC处理，可使316L钢的渗铬层厚度达到75 μm，并显著提高其耐腐蚀性能。Lin等[13-15]将SPC工艺应用于P110钢的耐磨处理，结果表明，经渗铬处理的P110钢与未处理的基材相比，其耐磨性能和耐蚀性能均显著提高。综上所述，SPC为提高材料表面耐磨性能提供了一条可行的途径。然而，SPC 工艺仍存在渗层薄、温度高、时间长等缺点[16]。一些国内外研究表明，通过在粉末渗剂中添加稀土元素及其氧化物，能够有效降低化学热处理温度，缩短原子渗入时间，提高渗层厚度[17-18]。但由于稀土元素价格较昂贵，一定程度上限制了其在化学热处理领域中的应用。
近年来，表面自纳米化技术已成为国内外学者研究的热点。通过表面机械研磨处理（Surface Mechanical Attrition Treatment, SMAT）、超声冲击（Ultrasonic Impact, UI）、高能喷丸（High Energy Shot Peening, H E S P）等表面处理技术，可使金属表面发生剧烈的塑性变形，促使材料表面粗晶逐步细化至纳米晶，形成梯度纳米结构层，该纳米结构层可有效提高原子动力学扩散性能和化学反应速率[19-22]。张聪慧等[23]研究表明，高能喷丸处理后的AZ91D镁合金渗铝层较未喷丸处理的渗铝层厚度明显增加，耐蚀性能显著提高。Laleh等[24]对SMAT处理后的316L不锈钢进行了表面渗氮处理，结果表明，SMAT处理后，试样的渗氮层较未处理试样的渗氮层厚度提高了1倍，且SMAT试样具有较高的耐磨、耐腐蚀性能。综上所述，表面自纳米化工艺与化学热处理工艺相结合的复合工艺，在提高化学热处理原子动力学扩散性能、增加渗层厚度方面，效果十分显著。本研究将UI处理技术与
SPC工艺相结合，在65Mn钢表面制备渗铬耐磨层，研究UI处理对渗铬层微观形貌、厚度及耐磨性能的影响，并分析其摩擦磨损机理，为拓展UI处理工艺在材料表面耐磨处理领域的进一步应用，提供科学理论依据。
1 试验
1.1 试样制备
试验选取65Mn钢作为基体材料，其主要化学成分见表1。用电火花切割试样尺寸为25 mm×20 mm× 4 mm。采用250#—800#耐水砂纸对试样逐级打磨至表面光滑，保证样品具有相同的表面粗糙度。然后依次浸于丙酮、无水乙醇溶液和去离子水中，超声清洗15 min，洗净，烘干。
采用HI-T002015A型超声冲击设备对65Mn钢试样进行UI处理，UI工艺原理如图1所示。通过冲击头往复冲击试样表面，使得试样表面发生塑性变形[25]。试验参数：冲击振幅为30 μm，冲击频率为20 kHz，输入电流为0.2 A，冲击时间为5 min，单头冲击，冲击头直径为6 mm，冲击头行走速度为5 mm/s。
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·54·表面技术 2022年1月
表1 65Mn钢的化学成分
Tab.1 Chemical composition of 65Mn steel
wt%
C Si Mn S P Cr Ni Cu Fe
0.62~0.70 0.17~0.37 0.90~1.20 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.025 Bal.
反倾销条例
图1 超声冲击工艺原理
Fig.1 Principle diagram of UI process
采用JQF1100-40型箱式气氛炉对65Mn基材和UI试样进行SPC处理，SPC工艺原理如图2所示。渗铬剂成分（质量分数）为：Cr粉50%，Al2O3粉末46%，NH4Cl粉末4%。3种粉末通过球磨机均匀混合，将配制好的渗铬剂放入箱式炉内加热至200 ℃，保温2 h，烘干处理后使用。将基材、UI试样和配制好的渗剂放入坩埚内，通过耐火砂、黏土、水玻璃3种混合物密封后，放入箱式炉中[14]。试验参数：温度为1000 ℃，保温时间为8 h，升温速率为8 ℃/min。
狭管效应图2 固体粉末渗铬工艺原理网管监控系统
Fig.2 Principle diagram of SPC process 1.2 结构表征及性能测试
采用岛津XRD-7000S/L型X射线衍射仪（XRD）表征经不同工艺处理前后的试样相结构，衍射角范围为10°~80°，扫描步长为0.02°，扫描速度为6 (°)/min。采用莱卡DM4000M光学显微镜（OM）和日立S-3400N型扫描电镜（SEM）观察渗铬层表面和截面形貌。采用EDS能谱仪测试渗铬层表面和截面的元素成分。采用TMVS-1型显微维氏硬度计对试样表面和截面的显微硬度进行测量，载荷为9.8 g，保压15 s，同一平面选取间隔3 mm的5个点测试，结果取平均值；截面方向以10 μm为间隔，测试2个平面，结果取平均值。采用MMU-10型微机控制端面摩擦磨损试验机测试试样的摩擦磨损性能，摩擦副选用直径为5 mm的Si3N4球，试验参数：载荷为20 N，转速为220 r/min，磨损时间为2 h。
2 结果与讨论
2.1 渗层表面形貌与相结构
SPC和UI+SPC处理后，65Mn钢表面的SEM形貌如图3所示。可以看出，渗铬层表面均匀致密，且出现大小无规则的突起。由EDS元素分析结果（见表2）可知，渗层表面具有含量较高的Cr元素，少量的C、Fe、O元素（Si含量忽略不计），产生突起的原因可能是Cr与基体中的C反应生成碳铬化合物所
致。对比两种工艺处理后试样渗层的表面形貌可知，UI+SPC试样渗层表面出现较多微小的孔洞，这是因为经UI处理后，试样表面晶粒得到细化，晶界增加，提高了原子之间的反应速率。孔洞产生的原因主要是活化Cr原子从基体向内部扩散时，在与C原子反应生成碳化铬的过程中，原子的空位迁移以及NH4Cl分解为气体所致[26]。试样表面的XRD分析结果如图4所示。由图4可知，经SPC和UI+SPC处理后的渗层，具有相同的相结构，主要相组成为Cr2C、(Cr,Fe)23C6、(Cr,Fe)7C6，进一步验证了渗层表面突起成分为碳铬化合物。由于Cr原子和Fe原子具有相近的原子半径，因此Cr原子易与Fe原子形成α相固溶体，在高温下Cr原子易与C原子发生反应，形成硬质相碳铬化合物[27-29]。
2.2 渗层截面形貌和元素及硬度分布
为研究超声冲击处理对渗铬层厚度的影响，对SPC和UI+SPC处理后试样的截面形貌进行观察，并
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图3 渗铬层表面形貌
Fig.3 Surface morphologies of chromized layer
表2 渗铬层表面EDS 分析 Tab.2 EDS analysis of chromized layer wt%
C O Si Cr Fe
3.63 1.36 0.15 93.54 1.32
图4 试样表面XRD 图谱 Fig.4 XRD patterns of samples
对截面元素成分进行EDS 线扫描元素分析。渗铬层截面形貌和线扫描分析结果如图5所示。由图5a 、b 可以看出，SPC 和UI+SPC 样品截面，渗铬层为均匀、连续、致密的亮白层，与基体结合紧密，该结果与文献[11]的研究结果相近。由图5c 、d 可知，SPC 样品的渗层厚度为45 μm ，UI+SPC 样品的渗层厚度可达58 μm ，厚度增加13 μm 。这是因为试样经UI 处理后，表面发生强烈的塑性变形，此过程中，65Mn 钢表面晶粒发生滑移、位错、层错，使得晶界增加，引入了大量的缺陷和界限，增加了Cr 原子动力学扩散性能，使Cr 原子易于从试样表面向基体内部扩散，促使渗层生长[30-32]。由图5c 、d 还可以看出，渗层由外向内依次为明亮的富铬层、黑暗的过渡层和基体。这是因为Cr 原子的扩散系数小于C 原子，渗层的生长取决于Cr 原子向基体内部的扩散速度。Cr 原子向内扩散过程中，与基体中的C 原子反应，生成碳化铬。当渗铬层达到一定厚度时，阻碍了Cr 原子向内扩散，Cr 原
子的扩散速率下降，即形成梯度变化的黑暗过渡层[33]。
由图5e 、f 可以看出，SPC 和UI+SPC 试样渗层元素的分布趋势差别不大。Cr 元素和C 元素从表面到内
部呈逐渐下降的趋势，Fe 元素从表面到内部呈逐渐
上升的趋势。对比两种渗层Cr 元素的分布趋势可知，
SPC 试样渗层中，Cr 元素含量在距表面42 μm 左右
处趋于平稳，UI+SPC 试样渗层的Cr 元素含量在距表
面55 μm 左右处趋于平稳。该结果进一步验证了UI 处理能有效提高Cr 原子向基体内部的扩散能力，促进渗层生长。
SPC 和UI+SPC 试样的渗铬层显微梯度硬度如图6所示。由图6可知，SPC 处理后的试样具有较高的
表面硬度，表面平均硬度值可达1608HV ，约为基体
硬度的6倍，这主要源于表面硬质碳铬化合物的形成。UI+SPC 试样表面平均硬度值为1659HV ，相比SPC 试样，硬度提高51HV 。由Hall-Patch 公秘密接头详情
式
邱泽近况
0y σσ=+（式中：σy 为材料发生0.2%变形时的屈服应力，可用显微硬度HV 表示；σ0为单晶体屈服强度；k 为常数；d 为平均晶粒尺寸）可知[22]，经UI 处理后，晶粒得到细化，晶粒尺寸减小，金属材
料表面硬度得到提高。由于在1000 ℃高温渗铬环境下，经UI 处理后，试样表面晶粒发生再结晶和晶粒长大[34]，限制了UI+SPC 试样表面硬度进一步提高。如图6所示，经两种工艺处理后，试样渗层硬度的变化从表面至心部均呈梯度下降趋势。SPC 处理后，试样的渗层硬度在距表面50 μm 左右处趋于平稳，UI+SPC 处理后试样的渗层硬度下降较为平缓，在距表面60 μm 左右处趋于平稳，随着表面距离增加，最终降至基体硬度。该硬度变化规律与图5e 、f 线扫描所示Cr 含量变化规律相一致。
2.3 摩擦磨损性能
2.3.1 摩擦系数和磨损量
试样摩擦系数随时间的变化情况如图7所示。结
果表明，65Mn 基材的摩擦系数最高，且波动较大，平均摩擦系数为0.260。这是由于65Mn 钢基材的表面硬度较低，与较硬摩擦副Si 3N 4球对磨时，使大量磨屑脱落，粘附在磨痕表面，导致摩擦系数波动较大，
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·56·表面技术 2022年1月
图5 渗铬层截面形貌和EDS线扫描分析
Fig.5 Cross section morphology (a—d) of chromized layer and EDS line scanning analysis (e,f)
图6 渗铬层显微梯度硬度
Fig.6 Micro-gradient hardness of chromized layer
磨损较严重。SPC试样表面的摩擦系数较平缓，前5 min 内，摩擦系数急剧上升至0.247左右，随后缓慢下降至0.156左右。随着磨损的进行，摩擦系数趋于平缓，其平均摩擦系数为0.205。UI+SPC试样表面的摩擦系数在前10 min内，先急剧上升至0.224左右，随后缓慢下降至0.136左右。随着磨损的进行，摩擦系数趋于平缓，其平均摩擦系数为0.170。这是因为SPC试样和UI+SPC试样具有较高的表面硬度，对磨时，少量磨屑脱落，经预磨期摩擦系数上升后，随着磨损的进行，对磨表面粗糙度降低，摩擦系数下降，然后轻微波动。由磨损量（如图8所示）可知，65Mn基材具有最大的磨损量，为6.452 mg，SPC和UI+SPC处理试样具有较低的磨损量，分别为2.163、1.675 mg。综上可知，渗铬层具有良好的抗磨作用，且UI+SPC 处理可进一步提高渗铬层的耐磨性能，这主要是归因于其高硬度碳化铬的形成和UI工艺的引入。
2.3.2 磨痕形貌和磨损机理
为确定试样的磨损机理，利用SEM和EDS分析试样的磨痕形貌和元素含量。基材磨损形貌及其局部
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