摩擦火花瞬时高温对中高碳钢中碳的影响

盛华峰 沈 凯 杜雨沙 王 丽 朱丽辉

(中国科学院宁波材料技术与工程研究所，宁波 315201)

碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。常见的中高碳钢有高速钢、弹簧钢、合金工具钢、轴承钢等，主要应用于制造刀具、量具、模具[1-4]。随着仪器分析技术的发展，火花直读光谱仪由于分析速度快、紧密度高、可同时测定若干元素等优势广泛应用于黑色金属及有色金属成份的快速定量分析[5]。在使用火花直读光谱仪对样品进行定量检测过程中必定会需要对样品表面进行打磨，然而在高速打磨过程中摩擦火花瞬时高温是否会对中高碳钢表面形成脱碳层，从而影响中高碳钢中碳含量的检测。本研究主要选取42CrMo、60Si2Mn、GCr153种常见的中高碳钢进行分析。

1 理论分析

脱碳是指钢在高温加热时表面失去全部或部分的碳，导致表面碳的质量分数低于钢内部并引起钢表面组织结构发生变化的现象。据文献报道42CrMo当加热温度为900℃时，表面出现完全脱碳层和部分脱碳层，当温度为950℃及以上温度时，表面只出现部分脱碳层[6]。60Si2Mn弹簧钢室温组织在700℃以下加热时不发生脱碳，750℃到900℃加热时会形成柱状生长的铁素体全脱碳[7]。GCr15轴承钢在700 ℃和800 ℃加热均没有发生脱碳; 当温度高于900℃时，开始有70μm部分脱碳组织形成[8]。T8碳素工具钢在900℃以下，55MnCrNb在800℃以下均无明显脱碳，SCM400在750℃以下脱碳层厚度为零[9-11]。从以上对中高碳合金脱碳层的研究表明使金属表面形成脱碳的温度至少需要在700℃以上，并且需要10～20min以上的保温时间。

在对304、316、45号钢的摩擦型火花能力研究中，在转速为1500r/min，压力100N的情况下，304不锈钢热导率最低，故其摩擦区域温度最高，最高温度为582.19 ℃；45号钢热导率最高，摩擦区域温度最低，最高温度为412.38℃，达到以上最高温度的时间在40～45s[12]。根据合金钢在100℃下的热导率多线性回归方程(1)[13]计算42CrMo、60Si2Mn、GCr15热导率，结果见表1。而在相同温度下30408(06Cr19Ni10)的热导率为16.3W/(m·K)[14]。合金钢的热导率远远大于不锈钢的热导率，因此42CrMo、60Si2Mn、GCr15的摩擦区域的最高温度不可能大于600℃，故从理论分析高速打磨过程中摩擦火花瞬时高温不会使中高碳钢样品表面形成脱碳层。

λ=43.03-12.67ω(Si)+
11.63ω(C)-1.21ω(sc)-1.61ω(nc)

(1)

其中：ω(sc)为W、V、Mo、Cr等元素；

ω(nc)为Cu、Ni、Mn等元素。

表1 化学成分及热导率(质量分数)

2 检测验证

2.1 实验部分

2.1.1主要仪器及试剂

火花直读光谱仪：MAXxLMM16德国斯派克分析仪器有限公司；光谱磨样机：MY-400 天虹工矿专用设备有限公司(附有600目的氧化锆砂轮片)。

国家标准物质：YSBS 41337-2013(60Si2Mn，上海材料研究所)；YSBS 41324-2010(42CrMo；上海材料研究所)；YSBS 41338-2013(GCr15；上海材料研究所)。

2.1.2火花直读光谱仪实验方法

2.1.2.1光谱仪工作原理

2.1.2.2火花直读光谱仪分析条件

光源：全数字等离子发生器光源；钨电极(针状电极)，顶端圆锥为90°；氩气纯度>99.999%；分析方法：Fe-10-M low allowsteel；分析线和内标线波长见表2。

表2 分析线和内标线波长

2.1.2.3火花直读光谱仪分析方法

将标准样品置于光谱磨样机上，以1440r/min的转速,50N的压力，打磨样品表面，样品表明要求平整；不能用手碰、不能沾到水、油等；不能有小孔、砂眼、缺陷；金属表面的纹路要统一、方向要一致。激发位置一般与样品形状有关，应选择均匀、有代表性的位置激发，并注意样品放置时应不漏气、不重叠；激发时听声音，激发后看斑痕，扩散放电数据应舍弃[5]。采用类型校准化法对样品进行定量分析。

3 结果及讨论

使用直读光谱仪对标准样品同一点中的碳含量进行11次打磨并分析每次打磨之后的结果，计算结果的精密度以及准确度，结果见表3。

表3 火花直读光谱仪碳含量结果及精密度和准确度

使用火花直读光谱仪对60Si2Mn、42CrMo、GCr15 3种合金钢的标准物质进行了定量分析，其中碳含量的范围在0.425～0.97%符合中高合金钢(碳含量在0.25～1.25%)常见的范围[19]。按照1.2.3分析方法对中高合金钢标准样品进行11次平行测试，检测结果的相对标准偏差<2%,见表3。实验结果表明，检测结果与标准值基本一致，满足标准物质证书的不确定要求。因此高速打磨过程中摩擦火花瞬时高温对碳含量检测结果无明显影响。

从氧化和脱碳的基本原理可知，氧化主要是氧向钢中扩散和钢中铁向外扩散；而脱碳则是由于碳由钢的内部向表层扩散并在钢的表面与脱碳气体反应；氧化和脱碳现象一直存在，只有当碳的扩散速度大于铁的扩散速度时从而形成脱碳层[20]。60Si2Mn在温度为700～900℃时位于(γ+α)两相区，钢表面氧化远远小于碳原子扩散从而形成全脱碳层[21]。GCr15中碳元素受温度影响向晶界扩散形成二次碳化物析出导致碳元素在基体中的含量下降，而导致碳元素扩散形成先共渗碳体析出的温度范围在700～900℃[22]。从以上相关研究我们发现对于高速打磨过程中摩擦火花瞬时高温无法达到引起碳含量减少的相变温度，这也从另一方面验证了检测结果的可靠性。

4 结论

通过对摩擦区域可能达到的最高温度分析以及对60Si2Mn、42CrMo、GCr15 3种标准物质的定量分析，得到以下结论：

(1)摩擦区域的最高温度不可能达到600℃，无法达到引起脱碳的相变温度。

(2)检测结果与标准值基本一致，满足标准物质证书的不确定要求；11次重复测试的相对标准偏差RSD在0.499%～0.698%。检测结果具有良好的精密度和准确度，满足检测要求。

在实际检测过程中样品的打磨过程产生的摩擦火花瞬时高温不会使中高碳钢表面形成脱碳层，对碳含量的检测无明显影响。