电解-等离子体硬化参数对20X钢微观组织与力学行为的影响

《Materials》：Effect of Electrolytic-Plasma Hardening Parameters on the Microstructure and Mechanical Behavior of 20X Steel

　　

本研究探讨了电解-等离子体硬化（electrolytic-plasma hardening, EPH）过程中施加电压和处理时间对20X钢微观组织、相组成、硬度、表面状态及摩擦学行为的影响。EPH处理在12 wt.% Na2CO3水溶液电解液中进行，电压分别为280、300和320 V，处理时间为4和6 s。研究人员采用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、X射线衍射（XRD）、仪器化压入、表面轮廓测量及球-盘摩擦学测试对处理后的试样进行了表征。280 V/4 s、300 V/4 s、320 V/4 s和280 V/6 s条件产生了无明显表面损伤的热改性表层，而在300和320 V下处理6 s则导致局部表面熔化。在无损伤试样中，280 V条件下获得最高硬度，4 s后达到329.6 ± 15.8 HV，6 s后达到332.1 ± 26.3 HV，相对于初始值180 HV提高了约1.83–1.85倍。XRD分析显示基体以α-Fe相为主，而较弱的次级反射无法可靠地归属于特定相。最低稳态摩擦系数在300 V/4 s条件下获得（0.444 ± 0.054），而最窄磨损轨迹在320 V/4 s条件下观察到（379.48 ± 36.24 μm）。硬度与摩擦学响应之间未发现直接相关性，表明在选择处理参数时还应考虑表面粗糙度和微观组织状态。研究结果确定了20X钢稳定的EPH处理窗口，并表明参数选择应基于表面完整性、硬度和摩擦学性能的综合评估。

电解-等离子体硬化参数对20X钢表面改性效果的系统研究

一、研究背景与意义

在现代机械工程领域，提高机器零件表面的硬度和耐磨性是关键挑战之一，尤其是对于在接触载荷、磨粒磨损和疲劳条件下工作的部件，如油气设备、管道阀门、齿轮、轴和摩擦副组件等。传统的表面强化方法包括常规淬火、渗碳、感应淬火、激光淬火、等离子体淬火、离子渗氮及各种化学-热处理工艺。然而，许多方法存在设备昂贵、表面准备复杂或处理周期长等局限性，限制了其在小批量生产和修复生产中的应用。

电解-等离子体硬化（electrolytic-plasma hardening, EPH）作为一种新兴的表面强化技术，具有处理速度快、能耗相对较低、无需真空设备等优势。该工艺使用标准直流电源和基于易得盐类的水溶液电解液，处理时间仅需数秒。其机理涉及在阴极表面形成蒸气-气体包覆层，包覆层内发展的电放电产生强烈的局部加热，使表面温度达到奥氏体化范围，随后在循环电解液中快速冷却，实现淬火效果。

本研究选取20X钢（GOST 4543-2016，国外等效牌号AISI 5120）作为研究对象，这是一种低合金铬渗碳钢，广泛用于制造承受接触和循环载荷的部件。尽管已有研究报道了EPH对20X钢的硬化效果，但大多数研究主要集中于微观组织和硬度的分析，而EPH参数、结构-相状态与摩擦学特性之间的综合关系尚未得到充分研究。特别是确定从稳定表面硬化到局部表面熔化的转变边界，对于选择工艺上可接受的EPH参数和防止表面损伤具有重要的实际意义。

二、研究内容与主要结论

研究人员系统研究了施加电压（280、300和320 V）和处理时间（4和6 s）对20X钢微观组织、元素和相组成、显微硬度及摩擦学特性的影响。研究结果表明，280 V/4 s、300 V/4 s、320 V/4 s和280 V/6 s条件产生了无明显表面损伤的热改性表层，而在300和320 V下处理6 s则导致局部表面熔化，超出了技术稳定的EPH范围。在无损伤试样中，280 V条件下获得最高硬度，4 s后达到329.6 ± 15.8 HV，6 s后达到332.1 ± 26.3 HV，相对于初始硬度180 HV提高了约1.83–1.85倍。尽管300 V/6 s和320 V/6 s条件下获得了更高的硬度值（406.2 ± 27.1 HV和399.1 ± 28.6 HV），但由于表面熔化，这些工艺不能视为技术上可接受的方案。

三、关键技术方法

研究人员采用多种表征手段对处理后的试样进行综合分析。使用配备能量色散X射线光谱（EDS）的TESCAN VEGA4 LMH扫描电子显微镜（SEM）观察截面微观结构、磨损轨迹形态、元素组成及元素沿深度的分布。采用DW-XRD-27MINI衍射仪进行X射线衍射（XRD）分析，使用Cu Kα辐射（λ = 1.5406 ?），在2θ范围20–90°内以0.02°步长扫描。使用FISCHERSCOPE HM2000测量系统通过仪器化压入测定硬度和压入模量（EIT），最大载荷300 mN，加载时间20 s。摩擦学测试在Anton Paar TRb3摩擦计上按照ASTM G99-23标准进行球-盘配置测试，使用3 mm半径的100Cr6球作为对磨体，载荷6 N，线速度3 cm/s，磨损半径3 mm，总磨损长度40 m。表面粗糙度通过轮廓测量法表征。

四、研究结果

4.1 表层微观结构与元素组成

研究人员通过SEM观察了所有试样的截面微观结构。在280 V/4 s条件下，形成了具有清晰过渡边界的热改性表层，平均层厚为61.51 ± 9.92 μm。随着处理条件的变化，微观结构呈现不同的特征：280 V/4 s和300 V/4 s试样呈现斑块状对比和弱针状形貌；320 V/4 s试样在近表面和中心区域显示出更明显的针状亚结构，近表面形成细小的平行取向结构，中部呈现扇形取向；280 V/6 s试样在整个热改性层厚度内呈现清晰的多边形区域和定向针状亚结构。在发生局部熔化的300 V/6 s和320 V/6 s试样中，观察到致密的细晶针状亚结构，且热改性层与基体金属之间缺乏清晰边界。

EDS线性扫描结果显示，无损伤表面试样具有相似的元素组成：Fe含量为88.77–90.30 wt.%，C含量为7.70–9.10 wt.%，Cr含量为0.84–0.90 wt.%。在熔化试样中，Fe含量降至84.04–86.20 wt.%，C信号增至11.23–13.07 wt.%，O信号增至1.62–2.33 wt.%，Cr含量降至0.57–0.65 wt.%，表明氧化过程随电压和处理时间增加而加剧。

4.2 表层相组成

XRD分析表明，所有试样的衍射图中主衍射峰位于2θ = 44.03–44.46°区域，对应α-Fe基相的（110）反射。由于铁素体和马氏体的衍射峰在该区域可能重叠，研究人员将基体组分统称为α-Fe基相。在280 V/4 s、280 V/6 s、300 V/4 s和320 V/4 s试样中，在2θ ≈ 29.1–29.4°处可重复观察到弱反射，但自动相搜索匹配分析（HighScore Plus）显示所有候选相（如Fe₂Si、SiC、Cr-Fe碳化物和元素碳）的匹配分数仅为1–14，远低于可靠识别阈值（≥50），因此无法确定这些弱反射的化学身份。6 s处理试样的衍射图以α-Fe基相反射为主，次级峰数量较4 s处理减少。

4.3 表层力学性能

仪器化压入测试结果显示，EPH显著改变了表层的力学响应。在无损伤试样中，280 V/4 s和280 V/6 s获得最高硬度值（329.6 ± 15.8 HV和332.1 ± 26.3 HV），而将电压从280 V增至300和320 V（4 s处理）导致硬度分别降至274.0 ± 13.8 HV和225.6 ± 12.4 HV。300 V/6 s和320 V/6 s试样获得最高硬度（406.2 ± 27.1 HV和399.1 ± 28.6 HV），但伴随表面熔化。压入模量（EIT）在194.3 ± 7.4至286.4 ± 24.7 GPa之间变化，与电压和处理时间无单调关系。载荷-深度曲线显示，300 V/6 s和320 V/6 s试样的最大压入深度约为1.75 μm，而320 V/4 s试样约为2.3 μm，与硬度值一致。

4.4 摩擦学性能

对保持表面完整性的试样进行了摩擦学测试。在稳态阶段，300 V/4 s试样获得最低平均摩擦系数0.444 ± 0.054，320 V/4 s和280 V/4 s分别为0.464 ± 0.055和0.508 ± 0.044，280 V/6 s最高为0.572 ± 0.058。表面粗糙度测量显示，280 V/4 s的Ra值为0.160 ± 0.008 μm，280 V/6 s为0.217 ± 0.005 μm，300 V/4 s为0.262 ± 0.015 μm，320 V/4 s为0.267 ± 0.050 μm。磨损轨迹宽度方面，320 V/4 s试样最小为379.48 ± 36.24 μm，300 V/4 s为404.80 ± 6.23 μm，280 V/4 s为448.55 ± 5.41 μm，280 V/6 s最大为481.07 ± 32.07 μm。研究未发现硬度与摩擦学行为之间的直接相关性。

五、讨论与结论

研究结果表明，硬度与摩擦学响应之间不存在直接相关性。280 V/4 s和280 V/6 s试样硬度相近（329.6和332.1 HV），但摩擦系数和磨损轨迹宽度存在显著差异，这可能与表面粗糙度和微观组织状态的差异有关。EPH应被视为一种快速、局部的表面硬化方法，而非传统渗碳的直接替代方案，特别是在需要最大表面硬度的应用中。当优先考虑提高硬度、保持表面完整性和最短处理时间时，280 V/4 s条件提供最有利的组合；当主要标准是较低的摩擦系数或较窄的磨损轨迹时，300 V/4 s和320 V/4 s条件可能更为合适。研究结果确立了20X钢稳定的EPH处理窗口，表明参数选择应基于表面完整性、硬度和摩擦学性能的综合评估。