高硬金属加工过程中表面白层的研究 - 文章

高硬金属加工过程中表面白层的研究

作者：大连理工大学张凌飞张弘弢

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摘要：综述了国内外对高硬金属加工过程中表面白层的研究现状，指出了当前白层研究中存在的分歧和争论，着重讨论了表面白层的组织结构和形成机制，并提出了今后的研究方向。
关键词：白层，高硬金属加工

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。

表1 影响摩擦表面层显微硬度的因素

影响显微硬度的因素	钢的类型	应力因素	温度因素
断层迁移率	全部		√
加工硬化	全部	√
回复/再结晶	全部	√	√
奥氏体化	a相钢		√
应力导致的马氏体转化	高硬钢，某些奥氏体不锈钢	√
热量导致的马氏体转化	淬硬钢		√
淀积硬化	高合金钢，高碳钢		√
回火	马氏体钢	√

(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。

(a)GCr15轴承钢(62HRC)的原始组织 (b)已加工表面白层的微观结构
图1 GCr15轴承钢的基体组织和白层组织(1400×)

阿拉巴马大学的Y Kevin Chou和Chris J Evans等学者通过用磨损的陶瓷刀具硬态切削52100钢来研究硬态切削表面白层的形成机理，认为白层的形成主要是一个涉及钢的金相变化的快热—快冷过程。他们应用基于JAEGER的移动热源理论的热量模型来模拟加工表面的温度范围并根据给定临界温度的穿透厚度估计白层的厚度，分析与实验结果吻合得很好。

都柏林大学的J Barry 和 G Byrne等学者将已磨损和未磨损的Alumina/TiC刀具加工BS 817M40和低合金钢(0.8C1.7Cr0.4Mo)所得的白层试样进行TEM检测对比，结果表明白层是由非常规马氏体细小晶粒组成，有少量的渗碳体。根据电子衍射图，他们认为白层的形成机制类似于在高应变率下变形的马氏体钢中发现的绝热剪切带（高应变作用下，由于在一定距离内表面下的局部变形速率高，摩擦热产生的速度大于向周围基体散发的速度，结果使临近表面的局部区域温度较高，变形抗力随之下降，材料塑性变形失稳而产生绝热剪切带），因此，表面白层的形成过程本质上是一个绝热剪切过程，在此过程中动态回复占主导。随着后刀面的磨损白层中残余奥氏体量的增加，被认为是由马氏体向奥氏体逆转化的程度加剧的结果。实验发现工件表面有一定程度的再结晶，解释为白层形成过程中由动态结晶到动态回复的过渡，一种由于马氏体逆转化而使材料层错能减小而导致的现象，这种再结晶过程不可能仅仅是基于扩散的热机制。

在相近的加工条件下，国内外学者对白层的形貌和形成得出的结果和观点大不相同。通过改良切削条件来使表面组织得到最优化控制是我们的长期目标，要达到这个目标，首先要在理论上统一白层的定义和外延，应用先进的仪器和手段澄清白层的组织结构；不同原始组织的材料在不同的条件下都可能产生白层，单从热量或是机械的角度研究白层的转变机制是不够全面的，白层是否等同于绝热剪切带也还有待考察，因此要从系统的角度深入研究，综合考虑各方面因素来分析其形成机理和对工件弯曲、疲劳和耐磨性等性能的影响，从而达到对其进行有效控制的目的。

4 结语

白层具有高硬度、不易侵蚀、较薄、晶粒极细、严重塑变、形成时间短和存在微裂纹等特征。从广义上讲，白层表现为摩擦磨损表面的显微组织变化，是摩擦磨损过程的必然产物。白层组织通常出现在材料的表层，同材料的磨损性能密切相关，一直是磨损领域的一个研究焦点。白层的出现常伴随着裂纹的形成，这意味着材料行将失效，因而研究白层与磨损的关系至关重要。揭开白层形成机制、研究其破坏机理并对其进行有效的控制，对指导摩擦学设计、改善工件表面质量和性能、实现以硬态切削代替磨削加工都具有重要的意义。

目前对白层的形成机制尚缺乏系统的研究，对白层的组织结构也有待进一步研究。应当说，学术界对白层的本质和形成机制尚不清楚，争论不休。从大量的结果可以看出，白层的形成强烈依赖于材料本身和外部运行条件。一方面，白层微观组织结构的澄清将对认识白层的转变机制和在磨损过程中的作用有决定性的意义。目前国内对于表面变质层的研究还停留在理论探索和初级实验阶段，即用透射电镜或扫描电镜观察磨削表面。要想对其形成机理、显微结构做出合理的解释还有待于实验手段和方法的更新，只有依靠先进的实验技术和表面分析测试手段，才能取得突破性的进展。另一方面，研究白层的转变机制，需在大量的实验基础上系统地研究摩擦磨损和加工过程中能量的变化规律，以揭开塑性变形和摩擦热的真面目。白层是摩擦和加工过程中形成的动态组织，其结构取决于外加摩擦条件、环境条件和材料本身性质等，从系统的角度进行对白层形成的研究可能会有所突破。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/6/2005)


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