高硬金属加工过程中表面白层的研究(一）

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承, 　　1引言　　刀具材料的发展、机床及其零部件的改进，使得硬态切削成为可能，并且可达到磨削加工的精度与表面质量，为某些淬硬零件的加工开辟了精加工的新途径。硬态切削的明显优点是切削时柔性较高，用一定几何参数的刀具可加工不同形状的零件；不用切削液，利于环境保护；加工时间短，投资费用少。在某些领域，硬态切削已经被证实是一种经济、有效的代替磨削的加工方法。　　在硬态切削过程中，材料已加工表面通常会产生硬度更高的白色非侵蚀薄层，被称为白层。白层是影响工件性能和表面完整性的重要因素。对白层进行深入系统的研究，对提高硬态切削质量有着非常重要的意义。　　2摩擦学白层研究现状　　“白层”的概念最早始于1912年，它不仅是两接触表面摩擦的结果，也可在一些大变形条件下，甚至是电火花切割及激光表面处理等冷急条件下产生。因它能抵抗一般的腐蚀，在光学显微镜下(或普通电子显微镜)呈现白色，所以被称为白层，通常具有比原始材料高的硬度。因对材料的摩擦磨损性能有重要的影响，又被冠以摩擦学白层、白色浸蚀层、绝热剪切带、再结晶层和摩擦学转变结构等不同的名称。　　目前对白层的研究较多，但都未取得突破，尚无明确的研究成果。对白层的研究多集中在摩擦学领域，其分歧与争议主要集中在白层的组织结构、形成机制和对磨损过程的影响等方面。　　2.1白层的特征　　白层是一种形成条件极宽、表现形式各异的磨损表面组织。不同的材料，出现于不同的磨损形式、摩擦条件和摩擦副中。对金属而言，白层的一般特征为：　　(1)非浸蚀性：铁基材料的白层通常在常规的浸蚀剂下不易被浸蚀，在光学显微镜下呈白色，这也是它被称为白层的原因；有色金属材料(如铝、钛合金等)在常规浸蚀剂下有时呈暗色，故也称为“暗层”。　　(2)高硬度：高硬度是白层最显著的一个特征，通常为HV800～1200，远高于基体材料(甚至是基体硬度的数倍)。一些白层的次表层软化现象可能是由摩擦热造成的过回火所致。表1为影响钢表面白层硬度的因素。　　(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。

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