粉末冶金消除初生碳化物顯著提升M50軸承鋼耐磨性機制研究

在航空發(fā)動機、風(fēng)力發(fā)電機組和高鐵等精密機械中，軸承的可靠性直接決定整個系統(tǒng)的壽命。M50鋼作為航空發(fā)動機軸承的核心材料，因其優(yōu)異的硬度、耐磨性和抗疲勞性能被廣泛應(yīng)用。然而，高碳和合金元素含量導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)中形成大量初生碳化物（primary carbides）。這些碳化物的尺寸、形態(tài)和分布一直是學(xué)術(shù)界爭論的焦點——有的研究認為大尺寸碳化物能提升耐磨性，有的則指出細化碳化物才是改善性能的關(guān)鍵。

這種爭議源于傳統(tǒng)研究難以隔離碳化物與基體組織的相互影響。當通過鑄造鍛造（CastingandForging,CF）工藝制備M50鋼時，初生碳化物尺寸可達10微米，且呈帶狀聚集，同時基體組織也會隨之變化。因此，無法明確究竟是碳化物本身還是其他微觀結(jié)構(gòu)因素主導(dǎo)了材料性能。為解決這一問題，中國科學(xué)院金屬研究所的研究團隊采用粉末冶金（Powder Metallurgy,PM）技術(shù)制備了無初生碳化物的M50鋼（PM-M50），并通過相同熱處理工藝使其基體組織與CF-M50保持一致，從而孤立出碳化物的單獨效應(yīng)。

該研究發(fā)表于《Journal of Materials Research and Technology》，系統(tǒng)比較了兩種材料的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、斷裂形貌和摩擦學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn)，PM-M50不僅顯著提升了材料的沖擊韌性，還大幅降低了磨損體積，揭示了初生碳化物對耐磨性的負面影響機制。

為開展本研究，團隊主要采用了幾項關(guān)鍵技術(shù)方法：一是熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing,HIP）技術(shù)在1150°C、120MPa下處理M50鋼粉末以制備PM-M50試樣；二是利用掃描電子顯微鏡搭配能譜分析（SEM-EDS）和電子背散射衍射（EBSD）對碳化物形貌、分布及基體取向進行表征；三是通過白光干涉儀和球-盤摩擦磨損試驗機（UMT tribometer）評估材料的摩擦系數(shù)和磨損體積；四是開展力學(xué)性能測試包括洛氏硬度、拉伸強度和沖擊試驗，并使用Image-Pro軟件統(tǒng)計碳化物尺寸分布。

研究結(jié)果主要包括以下幾方面：

一、微觀結(jié)構(gòu)特征：

CF-M50中存在大量鏈狀碳化物，*大尺寸達10μm，且呈明顯帶狀分布，能譜分析確認其為富鉬釩碳化物（Mo-V-enrichedcarbides）。而PM-M50微觀結(jié)構(gòu)均勻，碳化物近球形，尺寸為1-2μm，均勻分布在馬氏體基體中。統(tǒng)計顯示，CF-M50碳化物平均尺寸約為2.55μm，平均面積6.13μm2，而PM-M50碳化物平均尺寸僅0.97μm，面積0.88μm2。

二、力學(xué)性能對比：

兩種材料硬度相當（約62HRC），但CF-M50拉伸強度較高（約2750MPa），PM-M50沖擊韌性較CF-M50提高27%。斷裂分析表明，CF-M50的拉伸和沖擊斷口呈現(xiàn)大量碳化物聚集區(qū)和微裂紋，表現(xiàn)為解理斷裂特征；而PM-M50斷口呈現(xiàn)韌窩形貌，表明其具有更好的塑性變形能力。

三、摩擦學(xué)性能：

盡管兩種材料的摩擦系數(shù)（COF）相近（約0.69），但PM-M50的磨損體積比CF-M50低59%。白光干涉顯示CF-M50磨損軌跡更深更寬，深度約為PM-M50的1.8倍。CF-M50的磨損表面可見深犁溝和大尺寸剝落坑，而PM-M50則以淺犁溝和輕微氧化層為主。

四、磨損機制分析：

CF-M50的磨損主要源于初生碳化物在應(yīng)力下的斷裂和脫落，形成剝落坑，脫落的碳化物碎片進一步作為磨料加劇三體磨損。PM-M50則因碳化物細小均勻，應(yīng)力分布更均衡，主要磨損機制為輕微的磨粒磨損和氧化磨損。

討論部分指出，碳化物的尺寸和分布是影響M50鋼耐磨性的關(guān)鍵因素。粗大碳化物易成為裂紋源，在循環(huán)應(yīng)力下導(dǎo)致界面剝離和材料剝落，而細小均勻的碳化物能提升基體的塑性變形能力，抑制裂紋擴展。粉末冶金工藝通過抑制顯微偏析和細化碳化物，顯著優(yōu)化了材料的綜合性能。

該研究明確揭示了初生碳化物對M50鋼耐磨性的不利影響，并提出通過粉末冶金技術(shù)消除初生碳化物是提升軸承鋼性能的有效途徑。這不僅解決了長期以來的學(xué)術(shù)爭議，也為高性能軸承材料的工業(yè)應(yīng)用提供了重要理論支撐和實踐方向。