復(fù)合化學(xué)熱處理13Cr4Mo4Ni4VA鋼摩擦磨損性能研究

江志華， 佟小軍， 孫 楓， 李 志， 王子君， 時(shí)連衛(wèi)

(1.北京航空材料研究院，北京100095;2. 洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽471039)

復(fù)合硬化工藝是近年來新興的先進(jìn)表層硬化工藝［1～3］，歐美先進(jìn)國家已將復(fù)合硬化工藝應(yīng)用于M50NiL，Vasco X-2M，JX-12 鋼等多種齒輪軸承材料。被列入ASETT 計(jì)劃中的工業(yè)公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì)其性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)［4，5］。研究表明，復(fù)合硬化相對(duì)傳統(tǒng)表層硬化方法具有不可比擬的優(yōu)越性:其表面硬度高，能抵抗高接觸應(yīng)力，抑制次表層的塑性變形，可大幅度提高齒輪軸承耐磨性、疲勞性能以及抗膠合能力。表面滲硫具有良好的減摩效果，可以改善零件表面的抗黏合性能和抗擦傷性能，從而受到國內(nèi)外研究者普遍關(guān)注［6，7］。離子滲硫技術(shù)是我國研究工作者獨(dú)立研究發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，具有滲速快、環(huán)境友好度高的特點(diǎn)，隨著離子滲硫技術(shù)越來越成熟和推廣應(yīng)用［8～13］，滲硫?qū)犹卣?、摩擦學(xué)性能及其抗磨減摩機(jī)理成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)［7，14］。

13Cr4Mo4Ni4VA 鋼回火溫度高(＞500℃)，耐溫達(dá)350℃［15］，是高性能中溫滲碳軸承齒輪鋼。本工作對(duì)13Cr4Mo4Ni4VA 鋼進(jìn)行真空滲碳、復(fù)合硬化、離子滲硫等復(fù)合處理，制備了組織性能梯度分布的復(fù)合硬化層，并在真空滲碳層及復(fù)合硬化層的基礎(chǔ)上制備了不同層深的滲硫?qū)?。重點(diǎn)研究了13Cr4Mo4Ni4VA 鋼(M50NiL 鋼)復(fù)合硬化件、滲碳件及不同層深的滲硫件的滑動(dòng)摩擦磨損性能，并對(duì)不同工藝的表面層組織形貌及磨損形貌進(jìn)行觀察分析，探索了不同工藝試件的抗磨減摩機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為真空感應(yīng)熔煉加真空自耗重熔(VIM+VAR)13Cr4Mo4Ni4VA 鋼，化學(xué)成分見表1。

表1 雙真空熔煉13Cr4Mo4Ni4VA 鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Composition of VIM+VAR processed 13Cr4Mo4Ni4VA steel(mass fraction/%)

13Cr4Mo4Ni4VA 鋼原始狀態(tài)為正火+ 高溫回火(或退火)，對(duì)其進(jìn)行不同的熱表處理后，進(jìn)行摩擦磨損性能評(píng)價(jià)，具體的熱表處理工藝如下:

表層滲碳:950℃真空滲碳，1100℃真空氣淬，然后進(jìn)行冷處理和多次回火處理，滲碳層的有效深度為1.7 ～2.0mm，表面硬度為60 ～62 HRC;工藝狀態(tài)用C1 表示。

復(fù)合硬化:在滲碳硬化層基礎(chǔ)上進(jìn)行氣體滲氮，滲氮溫度為500℃，滲氮層的深度約為0. 2 ～0.25mm，表面硬度為1100HV20;工藝狀態(tài)用CN 表示。

離子滲硫:在滲碳或復(fù)合硬化層的基礎(chǔ)上進(jìn)行離子滲硫，滲硫溫度為250 ～350℃。基礎(chǔ)滲層為滲碳層時(shí)，滲硫?qū)由? ～15μm 的淺層滲硫標(biāo)記為CS1，滲硫?qū)由?50 ～180μm 的深層滲硫標(biāo)記為CS4;基礎(chǔ)滲層為復(fù)合硬化層時(shí)，滲硫?qū)由?50 ～180μm，標(biāo)記為CN-S。

摩擦磨損試驗(yàn)采用MMS-2A 屏顯式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，可以在線實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)摩擦系數(shù)、摩擦力矩及施加載荷等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其工作原理見圖1。摩擦方式采用滑動(dòng)摩擦，即試驗(yàn)時(shí)一個(gè)磨環(huán)的轉(zhuǎn)速ω1= 0，另外一個(gè)磨環(huán)轉(zhuǎn)速ω2=400r/min，試驗(yàn)施加較大載荷500N，試片先浸油然后開始干摩擦試驗(yàn)，不再加油潤(rùn)滑直至試驗(yàn)結(jié)束，磨損時(shí)間共4h，試驗(yàn)溫度為25℃。試樣尺寸見圖2，外徑為φ50 mm，厚度為10mm;摩擦試片及其對(duì)偶件采用相同的表面處理工藝。摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)p量的稱量采用光電分析天平(精度0. 00001g);稱量前采用航空汽油、石油醚、正己烷進(jìn)行超聲波清洗，并用真空干燥箱進(jìn)行烘干。

試樣經(jīng)不同熱表處理后，采用光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)對(duì)表層組織和表面形貌進(jìn)行觀察分析，采用X 射線衍射(XRD)進(jìn)行表層物相分析，采用掃描電鏡(SEM)對(duì)摩擦磨損形貌進(jìn)行觀察分析。

圖1 磨損試驗(yàn)原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of the wear tests

圖2 磨損試驗(yàn)試樣示意圖Fig.2 Specimen configuration for sliding wear tests

2 結(jié)果與討論

2.1 表面層組織

圖3 為13Cr4Mo4Ni4VA 鋼經(jīng)過不同熱表處理后表面層組織形貌，圖3a 為滲碳(C1 工藝)后表層組織，主要為高碳馬氏體、細(xì)小彌散的碳化物以及少量的殘余奧氏體;圖3b 為復(fù)合硬化(CN 工藝)后表面層金相組織，從表面向里依次為滲氮層和滲碳層，滲氮層深為0.2 ～0.25mm，滲氮層組織無白亮脆性層，圖3c 為復(fù)合硬化(CN 工藝)后滲氮層SEM 組織，主要為回火馬氏體基體上彌散分布的細(xì)小碳氮化合物，另外由XRD 分析結(jié)果可以看到滲層存在γ'相(Fe4N)(見圖3g)，氮原子的固溶和氮化物的沉淀析出使表面超硬(＞70HRC)，復(fù)合梯度硬化結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的組織使?jié)B層韌性高。

圖3d 為離子滲硫(CN-S 工藝)后滲層組織，可以看出從表面向里依次為滲硫?qū)雍蛷?fù)合硬化層，滲硫?qū)訉由顬?50 ～180μm，硫化物層比較疏松，和基體結(jié)合弱，由XRD 分析結(jié)果(見圖3h)看，主要為FeS 和FeS2，還有少量的MoSx，而C-S1 淺層工藝(滲硫?qū)由顬? ～15μm)滲層中只存在FeS。圖3e，f 分別為離子滲硫CN-S 與C-S1 試樣的表面形貌，可見滲硫?qū)颖砻媸杷啥嗫?，由顆粒狀硫化物層疊而成，深層滲硫CN-S 試樣的硫化物顆粒尺寸較大。有資料［7～10］認(rèn)為滲硫?qū)臃涓C狀結(jié)構(gòu)有利于儲(chǔ)存并保持潤(rùn)滑介質(zhì)，提高潤(rùn)滑油邊界強(qiáng)度，同時(shí)FeS 具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，剪切強(qiáng)度低，是優(yōu)良的固體潤(rùn)滑劑，具有良好減摩效果。

圖3 不同工藝13Cr4Mo4Ni4VA 鋼的表面層組織形貌(a)真空滲碳層組織;(b)，(c)復(fù)合硬化層組織;(d)離子滲硫?qū)咏M織(CN-S);(e)，(f)離子滲硫?qū)颖砻嫘蚊?(g)，(h)XRD 圖譜Fig.3 Case microstructure and surface morphology for thermochemical-processed 13Cr4Mo4Ni4VA steel(a)vacuum-carburizing case microstructure;(b)，(c)duplex-hardening case microstructure;(d)～(f)plasma-sulfurizing case microstructure and surface morphology;(g)，(h)XRD patterns

2.2 摩擦磨損試驗(yàn)

圖4 不同工藝13Cr4Mo4Ni4VA 鋼滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果(a)滑動(dòng)摩擦系數(shù)-時(shí)間曲線;(b)磨損量Fig.4 Sliding wear tests of thermochemical-processed 13Cr4Mo4Ni4VA steel(a)friction coefficient profiles as a function of time;(b)wear mass loss

在相同的試驗(yàn)條件下對(duì)不同熱表處理的13Cr4Mo4Ni4VA 鋼進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)對(duì)比。圖4a為不同工藝13Cr4Mo4Ni4VA 鋼試片摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，滲碳試片摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定在0.11左右;復(fù)合硬化和滲硫C-S1 工藝試驗(yàn)前期為跑合期，保持一個(gè)較高值，然后陡降至較低值，最終達(dá)到穩(wěn)定的平臺(tái)期;滲硫CN-S 和C-S4 工藝試片基本無跑合期，摩擦系數(shù)在很短的時(shí)間內(nèi)降至低值。采用復(fù)合硬化工藝和滲硫工藝后，穩(wěn)定期摩擦系數(shù)降至0.006 ～0.02，較滲碳工藝摩擦系數(shù)降低了80%以上。圖4b 為不同工藝13Cr4Mo4Ni4VA 鋼試片磨損量，滲硫處理后磨損量大，滲硫?qū)釉胶?CS4 和CNS)，磨損量越大，采用滲碳和復(fù)合硬化處理后，磨損量小，較滲硫工藝降低了1 ～2個(gè)數(shù)量級(jí)。由摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果來看，在滑動(dòng)摩擦條件下，復(fù)合硬化件具有優(yōu)異的減摩耐磨性能;而滲硫件減摩性能良好，滲硫?qū)釉胶駵p摩效果越明顯，但耐磨性變差。

2.3 摩擦磨損形貌

磨損試驗(yàn)施加了較高的載荷，并且摩擦過程不再加油潤(rùn)滑，試驗(yàn)條件苛刻。圖5 為不同工藝試片在滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)后的SEM 形貌，可見所有工藝試樣均未出現(xiàn)嚴(yán)重的擦傷痕跡，原始的機(jī)加犁溝在磨損試驗(yàn)后得到不同程度的改善。圖5a ～b，c ～d分別為真空滲碳、復(fù)合硬化處理后磨損形貌。在磨損跑合期，由于磨削犁溝等微突起或摩擦副裝配偏心度等原因，造成局部應(yīng)力集中，摩擦系數(shù)維持在高值。復(fù)合硬化處理后表面超硬(＞70HRC)，抗塑性變形能力強(qiáng)，對(duì)偶件的摩擦起到類似“拋光”作用，將原有的加工痕磨去，使摩擦表面變光滑(見圖5 d)，降低了應(yīng)力集中，改善了潤(rùn)滑條件，這是導(dǎo)致磨損穩(wěn)定期摩擦系數(shù)陡降的原因。滲碳件較復(fù)合硬化件硬度低，摩擦磨損過程中，改善加工犁溝的同時(shí)產(chǎn)生了新的摩擦凹坑，隨著時(shí)間的推移，凹坑擴(kuò)展、聯(lián)合，沿摩擦方向拉長(zhǎng)(見圖5b 中A 處)，因此摩擦系數(shù)始終維持在較高值。從磨損形貌看，在同樣的載荷條件下(500N)，復(fù)合硬化試樣磨損機(jī)制為輕微黏著磨損［16］，滲碳試樣磨損機(jī)制為相對(duì)嚴(yán)重的黏著磨損。綜上，不同硬化層的摩擦磨損性能和其承載能力息息相關(guān)，復(fù)合硬化件具有更高的承載能力，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨減摩性能。

圖5e ～f，g ～h，i 分別為離子滲硫C-S1，CN-S及C-S4 試片磨損后形貌。由于C-S1 滲硫?qū)虞^薄，硫化物層很快發(fā)生機(jī)械破壞，基礎(chǔ)滲碳層承載，對(duì)磨區(qū)出現(xiàn)了摩擦凹坑(見圖5 f 中B，C 處)，同時(shí)磨損過程對(duì)偶件的硫化物發(fā)生了轉(zhuǎn)移，并且FeS 在機(jī)械力與摩擦熱的條件下，可能發(fā)生分解與再生成，沿表面缺陷及晶界擴(kuò)散［7，14］，當(dāng)摩擦面均勻性改善后，F(xiàn)eS 開始持續(xù)發(fā)揮減摩作用，從而導(dǎo)致磨損穩(wěn)定期保持低的摩擦系數(shù);如果滲硫?qū)雍?，可有效阻隔摩擦副基體之間的直接接觸，硫化物層機(jī)械破壞后，對(duì)偶件硫化物轉(zhuǎn)移以及FeS，F(xiàn)eS2在摩擦過程分解并重新生成FeS，F(xiàn)eS 黏附在摩擦表面形成一層薄膜，持續(xù)發(fā)揮減摩作用;另外滲硫?qū)雍蠱oSx，其自潤(rùn)滑作用強(qiáng)。以上因素綜合作用使CN-S 及C-S4 試片磨損時(shí)摩擦系數(shù)很快降低并保持低值，磨損面光滑，無摩擦凹坑(見圖5 h，i)。值得注意的是:硫化物層和基體結(jié)合力弱，在機(jī)械力作用下易破壞剝落(見圖5 g 中D 處)，因此過厚的硫化物層會(huì)導(dǎo)致耐磨性顯著降低，雖然其減摩效果明顯，但不建議采用;而無論淺層還是深層滲硫，高硬度基礎(chǔ)層起到重要的支撐作用，提高耐磨性，避免了嚴(yán)重擦傷，有效保證了滲硫?qū)拥某掷m(xù)減摩作用。

3 結(jié) 論

圖5 不同工藝13Cr4Mo4Ni4VA 鋼磨損形貌 (a)，(b)真空滲碳;(c)，(d)復(fù)合硬化;(e)，(f)離子滲硫(C-S1);(g)，(h)離子滲硫(CN-S);(i)離子滲硫(C-S4)Fig.5 Worn scar morphology of multiprocessed 13Cr4Mo4Ni4VA steel (a)，(b)vacuum carburized;(c)，(d)duplex hardened;(e)，(f)plasma-sulfurized(C-S1);(g)，(h)plasma-sulfurized(CN-S);(i)plasma-sulfurized(C-S4)

(1)對(duì)13Cr4Mo4Ni4VA 鋼進(jìn)行了碳氮復(fù)合硬化和離子滲硫處理，制備了組織性能梯度分布的表面層。復(fù)合硬化處理后，最表層為滲氮層，厚度0.2～0.25mm，表面超硬(＞70HRC);次表層為滲碳層，復(fù)合梯度結(jié)構(gòu)和優(yōu)異組織使復(fù)合硬化層韌性高。離子滲硫?qū)拥幕A(chǔ)滲層為滲碳層或復(fù)合硬化層，滲硫?qū)雍穸葴\層工藝為5 ～15μm，深層工藝達(dá)到了150 ～180μm。硫化物層主要由FeS，F(xiàn)eS2組成，硫化物層疏松多孔，和基體結(jié)合弱。

(2)對(duì)不同工藝13Cr4Mo4Ni4VA 鋼進(jìn)行了大載荷摩擦磨損對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明:在浸油干摩擦條件下，復(fù)合硬化件和滲硫件穩(wěn)定期摩擦系數(shù)較滲碳件降低了80%以上，復(fù)合硬化件磨損量較深層滲硫件降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)。

(3)復(fù)合硬化層表面硬度高，具有韌性梯度結(jié)構(gòu)和高承載能力，抗塑性變形能力強(qiáng)，使復(fù)合硬化件具有優(yōu)異的抗磨減摩性能。滲硫?qū)泳哂辛己玫臏p摩性能，與FeS 結(jié)構(gòu)特性、儲(chǔ)油能力以及摩擦過程中硫化物的分解、再生、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移相關(guān);滲硫?qū)幽湍バ耘c基礎(chǔ)硬化層及滲硫?qū)雍穸认嚓P(guān)，過厚的滲硫?qū)訒?huì)導(dǎo)致耐磨性顯著降低。

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