朱曉林，姚正軍，張平則

(1.江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院， 江蘇 南京　210007； 2 南京航空航天大學(xué)， 江蘇 南京　211100)

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碳鋼表面Ni-Cr共滲層的磨損性能研究①

朱曉林1,2，姚正軍2，張平則2

(1.江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院， 江蘇 南京210007； 2 南京航空航天大學(xué)， 江蘇 南京211100)

采用雙層輝光等離子合金化技術(shù)在碳鋼表面制備Ni-Cr合金層，通過(guò)掃描電鏡、維氏硬度計(jì)和摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)表征了合金層的組織形貌、顯微硬度和摩擦磨損行為。結(jié)果表明：雙輝等離子鎳鉻共滲后，碳鋼表面形成了有效厚度約12μm的合金層，合金層均勻致密，無(wú)孔洞裂紋等缺陷，合金層表面晶粒呈顆粒狀，且結(jié)聚成團(tuán)。滲后試樣表面顯微維氏硬度相對(duì)于基體提高了約一倍。合金層具有良好的耐磨性，在常溫下的磨損失重相對(duì)基體降低了4倍以上。

摩擦磨損； Ni-Cr合金層； 等離子合金化

引　言

磨損是工件失效和材料損耗的主要方式之一。隨著工業(yè)化進(jìn)程的深入，其危害日趨嚴(yán)重?？萍脊ぷ髡咭恢敝匾暷湍ゲ牧虾蜏p摩技術(shù)的發(fā)展，以期對(duì)磨損進(jìn)行有效控制。磨損一般是從材料表面、亞表面或因表面因素而引起[1-2]的，因此采用表面工程技術(shù)在廉價(jià)基體上制備耐磨合金層取代整體材料，對(duì)降低成本，減少材料的消耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

鎳鉻合金具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、熱強(qiáng)性、抗氧化等綜合性能，并且兼具很好的力學(xué)性能和加工性能[3]，適宜于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)下苛刻的介質(zhì)環(huán)境和服役工況，因此在零件的表面防護(hù)和修復(fù)方面得到了廣泛的重視，已成功應(yīng)用于航天航空、石油化工、水電水利等行業(yè)[4]。鎳鉻合金中，鉻加入引起的固溶強(qiáng)化使其具有較高的硬度和表面強(qiáng)度，其耐磨性和耐熱性遠(yuǎn)優(yōu)于鐵基的，甚至接近鈷基合金[5]。碳不能固溶于鎳奧氏體中，當(dāng)合金中含碳量大于0.1%，便會(huì)以游離態(tài)析出。鉻是強(qiáng)的碳化物組成元素，會(huì)與析出的碳形成Cr7C3和Cr23C6化合物，可以顯著提高合金的硬度和耐磨性。然而Ni,Cr作為重要戰(zhàn)略元素，由于價(jià)格昂貴使其應(yīng)用受到一定限制。本文采用雙層輝光等離子表面冶金技術(shù)在碳鋼表面制備Ni-Cr 共滲合金層, 并對(duì)其組織形貌、顯微硬度和摩擦磨損性能進(jìn)行了測(cè)試分析。以期解決經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性的矛盾，推進(jìn)并拓寬Ni-Cr合金的應(yīng)用范圍。

1　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用中科院沈陽(yáng)科學(xué)儀器研制中心有限公司生產(chǎn)的“雙輝等離子滲金屬爐”進(jìn)行碳鋼表面的鎳鉻合金共滲。采用光學(xué)顯微鏡(OM)和美國(guó)FEI公司QUANTA200型掃描電鏡研究滲層的顯微組織和形貌，采用HXS-1000A型顯微硬度計(jì)測(cè)量滲層的硬度。

合金層摩擦磨損性能表征采用中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所生產(chǎn)的HT-500微型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)在沒有任何潤(rùn)滑的條件下進(jìn)行，相對(duì)濕度45%±5%。測(cè)試溫度為20 ℃±4 ℃。對(duì)磨材料為直徑3 mm的GCr15球和Si3N4陶瓷球。電機(jī)轉(zhuǎn)速560 r/min，回轉(zhuǎn)半徑3 mm，載荷150 g，磨損時(shí)間15 min。

2　結(jié)果與分析

2.1合金層表面形貌

圖1為雙輝鎳鉻共滲前后試樣表面形貌。普碳鋼Q235試樣在經(jīng)過(guò)雙層輝光離子表面合金化之后其表面形貌發(fā)生顯著變化，Ni-Cr共滲處理后試樣表面光滑平整，呈白亮色金屬光澤。由于濺射的Ni、Cr原子的沉積和晶粒的團(tuán)聚生長(zhǎng)使其表面光潔度相對(duì)于原始機(jī)械拋光鏡面有所下降。圖1(b)為合金層宏觀形貌，表面均勻致密。在1000倍放大時(shí)(如圖2所示)可觀察到浮凸表面形貌，合金層呈顆粒狀分布，許多小的胞狀物顆粒聚集而成大顆粒，顆粒之間緊密連接，局部團(tuán)聚在一起形成蘑菇云團(tuán)。圖3為試樣截面的SEM照片，可清晰觀察到形成了同基體界限分明的合金滲鍍層，合金層厚度約12 μm，均勻致密，無(wú)明顯缺陷。使用能譜儀對(duì)滲層截面沿表面向基體的方向進(jìn)行成分線掃描，F(xiàn)e，Ni，Cr 元素從表面至基體呈明顯的梯度分布[6]。因此該界限并非純粹的Ni-Cr沉積層與普碳鋼之間兩種不同材料的界面，而是不同物相間的界面。

圖1　試樣表面宏觀形貌

圖2　合金層表面微觀形貌(1000X)

圖3　合金層截面形貌(5000X)

2.2合金層顯微維氏硬度

硬度是材料耐磨性能的重要影響因素之一。一般來(lái)說(shuō)，硬度越高，材料的耐磨性能越好。由于合金層厚度較小，難以在截面對(duì)其硬度隨元素深度變化的分布趨勢(shì)進(jìn)行分析，本課題采用HXS-100A顯微維氏硬度計(jì)僅對(duì)試樣表面進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試，加載載荷100 g，保持時(shí)間15 s?；w的顯微維氏硬度平均為188.6，而合金層由于不同區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)和物相不同而分布不均，固溶體處硬度值略低，而碳化物析出位置的硬度值相對(duì)較高，其表面硬度平均值為362.5?？梢奞235鋼表面鎳鉻共滲形成的合金層的顯微維氏硬度相對(duì)于基體提高了約一倍。一方面合金層表面化合物相具有較高的硬度和強(qiáng)度；另一方面，鎳鉻原子的滲入也通過(guò)固溶作用使表面強(qiáng)化。這種硬度的提高對(duì)其耐磨性能的提高非常有利。

2.3摩擦磨損性能

碳鋼是常用的工程材料，其工作表面經(jīng)常處于無(wú)潤(rùn)滑環(huán)境中，因此本文著重于對(duì)滲鍍層在干摩擦條件下的摩擦磨損性能進(jìn)行研究。

2.3.1摩擦系數(shù)

圖4，5分別為經(jīng)表面合金化處理的滲后試樣和基體與不同對(duì)磨材料配副((a) GCr15；(b) Si3N4)時(shí)的摩擦系數(shù)曲線。結(jié)果表明合金層與GCr15對(duì)磨時(shí)的摩擦系數(shù)較低，除跑合階段外曲線波動(dòng)較小，摩擦非常平穩(wěn)。滲層與Si3N4組成摩擦副時(shí)，跑合階段相對(duì)于GCr15做摩擦副時(shí)明顯縮短，在一分鐘內(nèi)即達(dá)到穩(wěn)定磨損狀態(tài)，而且在跑合階段其摩擦系數(shù)亦平穩(wěn)增加，沒有劇烈波動(dòng)，說(shuō)明合金層的表面狀態(tài)較好。此后摩擦系數(shù)維持在約0.8左右，并隨著磨損的持續(xù)，表面粗糙度的減小而略有下降。

圖4　合金層與不同摩擦副作用下的摩擦曲線

圖5　基體與不同摩擦副作用下的摩擦曲線

同Q235鋼基體相比(如圖5所示)，合金層在同GCr15和Si3N4做摩擦副時(shí)其摩擦系數(shù)均有明顯增加，其原因在于雙輝技術(shù)制備的合金層按照Volmer-Weber[7]生長(zhǎng)模式生長(zhǎng)，由孤立的晶核逐漸長(zhǎng)大為島狀，隨著濺射沉積的進(jìn)行，小島不斷長(zhǎng)大，并有新的小島產(chǎn)生，小島之間長(zhǎng)大融合而成薄膜，因此其表面呈明顯的顆粒狀形貌，粗糙度較高。另一方面，Ni-Cr合金相對(duì)于基體具有較高的硬度，而且Cr與游離的C反應(yīng)生成的Cr23C6的析出充當(dāng)了硬質(zhì)磨粒，鎳基基體起到塑韌性支撐體的作用。在此條件下加上一定載荷，摩擦總是發(fā)生在一部分接觸峰點(diǎn)上，摩擦表面處于彈塑性接觸狀態(tài)，凸起的尖峰相互嵌入，在外載荷作用下主要發(fā)生磨粒磨損，產(chǎn)生切削和塑性變形，由于涂層的硬度遠(yuǎn)高于基體，因此塑性變形和切削作用均更難發(fā)生，導(dǎo)致其摩擦系數(shù)增加。

2.3.2磨損形貌和磨損量

圖6(a)，(b)為合金層分別與GCr15，Si3N4配副時(shí)的常溫摩擦磨損形貌，由兩圖可以看出摩擦表面存在明顯的梨溝和劃痕條紋，沿磨損方向并列排布，合金層發(fā)生典型的磨粒磨損。表面梨溝的形成一方面是由于對(duì)磨件表面凸起的硬質(zhì)相形成的磨痕，另一方面是磨損切削導(dǎo)致磨下的碎屑?xì)埓嬖谀Σ粮眱杀砻嬷g形成的三體磨損[8]。三體磨損類似于研磨作用，磨粒與材料表面之間的接觸應(yīng)力非常高，因此常使摩擦表面產(chǎn)生塑性變形或者接觸疲勞磨損。磨粒磨損的特性直接受對(duì)磨件的硬度影響，當(dāng)磨料硬度低于試件材料硬度時(shí)，不產(chǎn)生磨粒磨損或產(chǎn)生輕微磨損，而當(dāng)磨料硬度超過(guò)試件材料硬度以后，磨損量隨磨料硬度而增加。GCr15的硬度值遠(yuǎn)低于Si3N4，因此在摩擦過(guò)程中，Si3N4對(duì)于對(duì)磨件的磨粒磨損切削作用更加明顯，磨損量也高于同GCr15對(duì)磨的磨損失重(如表1所示)。

基體材料與兩對(duì)磨件的摩擦形貌如圖7所示，基體的磨痕呈溝壑狀，深且寬，磨損嚴(yán)重。合金涂層的梨溝明顯更淺也更窄，這得益于Ni-Cr合金較好的強(qiáng)度和表面硬度。

圖6　合金層與不同摩擦副作用下的摩擦形貌

材料對(duì)磨材料載荷/g磨損時(shí)間/min磨損失重/g基體GCr15150150.0025基體Si3N4150150.0028合金層GCr15150150.0004合金層Si3N4150150.0006

圖7　基體與不同摩擦副作用下的摩擦形貌

摩擦磨損時(shí)摩擦力的大小主要受接觸面積和材料的變形狀態(tài)影響，在一定的載荷下，磨損首先發(fā)生在一部分凸起的接觸峰點(diǎn)上。合金層由顆粒狀的表面形貌構(gòu)成，表面硬度和強(qiáng)度均較高。通過(guò)合金層的物相和成分分析[5]可知，合金層元素呈梯度分布，與基體冶金結(jié)合，不易破碎剝落，而且有Cr23C6硬質(zhì)碳化物顆粒的析出，因此其耐磨性相對(duì)于基體顯著提高，在相同條件下的磨損失重僅為1/4左右(如表1所示)。

理想的耐磨材料組織應(yīng)當(dāng)是在塑韌性較好的基體上分布著許多硬顆粒的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。本雙輝技術(shù)制備的Ni-Cr合金層的耐磨性能的提高即與鎳基體起到塑性支撐的作用而析出的硬質(zhì)化合物充當(dāng)了承擔(dān)載荷的尖峰密切相關(guān)。在正常載荷作用下，主要由突出在摩擦表面的硬質(zhì)相直接承受載荷，發(fā)生接觸和滑動(dòng)摩擦，基體軟相起到支撐作用，由于主要是硬質(zhì)相發(fā)生接觸和相對(duì)滑動(dòng)，因此磨損量很低。又由于硬質(zhì)相被支持在軟基體之上，易于變形而不至于擦傷相互摩擦的表面，同時(shí)軟基體還可以使硬質(zhì)相上壓力分布均勻，當(dāng)載荷增加時(shí)，承受壓力增大的硬質(zhì)顆粒陷入基體中，將使得更多的硬顆粒承載而達(dá)到載荷均勻分布。

3　結(jié)　論

(1)通過(guò)雙層輝光等離子表面合金化技術(shù)可在碳鋼表面制備Ni-Cr共滲合金層，合金層均勻致密，無(wú)孔洞、裂紋等缺陷，合金層表面呈顆粒狀，且結(jié)聚成團(tuán)。

(2)合金層表面顯微維氏硬度相對(duì)于基體提高了約一倍。

(3)合金層耐磨性能提高明顯，得益于較高的硬度和表面強(qiáng)度，Ni-Cr涂層的磨損失重相對(duì)基體降低了約4倍。

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2016-01-28

朱曉林(1983—)，男，工程師。E-mail:gjgcsc@163.com

TG115.5+8