45＃鋼微孔陶瓷化及其摩擦磨損性能研究

葉會(huì)成，趙華俊，王 可，王西偉，王葵葵

（江南大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

氮化處理是提高零部件疲勞強(qiáng)度和耐磨性的有效途徑，其方法主要有離子滲氮、高頻滲氮、超聲波滲氮、電解氣相滲氮、純氨氣滲氮、氮氨混合氣體滲氮、軟氮化以及潔凈滲氮等。鋼的軟氮化指在相變溫度以下，碳氮同時(shí)滲入的工藝。由于碳的滲入對(duì)滲氮速度和氮化層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了有利的影響，因此，基鹽軟氮化工藝具有處理溫度低，時(shí)間短，變形小，不受鋼種限制，滲層結(jié)構(gòu)致密、表面質(zhì)量高等一系列優(yōu)點(diǎn)，從而在工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。然而目前針對(duì)基鹽軟氮化的研究尚少，本研究結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，主要對(duì)45＃鋼在不同滲氮溫度和滲氮時(shí)間下軟氮化后的耐磨性、組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度進(jìn)行了全面系統(tǒng)的分析，并將結(jié)果反饋給工廠，為生產(chǎn)實(shí)踐服務(wù)。

2 實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備

首先，我們?nèi)∫欢ㄙ|(zhì)量基鹽于坩堝之中，調(diào)解加熱爐溫度至580℃左右陳化6～7h，并將試樣按照一定的規(guī)律擺放好放進(jìn)爐中進(jìn)行預(yù)熱20～30 min，控制溫度在360°左右。預(yù)熱好之后將試樣放入坩堝之中，控制時(shí)間和溫度參數(shù)，為更好地方便比較，我們選取了525℃、550℃、575℃、600℃四組保溫溫度以及0.5h、1h、2h、4h四組保溫時(shí)間。氮化處理后將試樣取出空冷，使用超聲波清洗儀將試樣洗凈并且置于鼓風(fēng)機(jī)中烘干。滲氮層表面組織用長方XTL－100光學(xué)顯微鏡觀察，用HVS－1000硬度測(cè)試儀測(cè)試滲氮層表面的硬度，耐磨性實(shí)驗(yàn)采用對(duì)磨實(shí)驗(yàn)，在MMW－1A萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，載荷為50N，對(duì)磨時(shí)間為10min，以磨損前后的重量變化計(jì)算磨損量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 硬度

通過表1的數(shù)據(jù)可以看出，在相同保溫溫度條件下，保溫時(shí)間較長的對(duì)應(yīng)的試樣硬度越大，如在525℃下，滲氮時(shí)間為0.5h的試樣硬度值為HV448.3，1h的硬度值為 HV534.5，2h的硬度值為 HV588.6，4h的硬度值為 HV688.6，呈逐漸變大的趨勢(shì)。這是因?yàn)榛衔飳又械獫舛入S軟氮化時(shí)間延長而增加，使化合物層中ε/γ兩相比例發(fā)生變化，同時(shí)化合物層的厚度隨共滲時(shí)間延長也增厚，因而使氮碳化合物層的表面硬度顯著增高。

同樣，在相同滲氮時(shí)間下，保溫溫度越大，對(duì)應(yīng)的試樣硬度越大，如在4h下，保溫溫度為525℃的試樣硬度值為HV688.6，550℃的試樣硬度值為HV679.5，575℃的試樣硬度值為 HV752.4，600℃的試樣硬度值為HV831.2，也呈逐漸變大的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著軟氮化溫度的升高，化合物層厚度增加。而化合物層中的ε相是以Fe2－3N為基的固容體，在525～600℃范圍內(nèi)，化合物中的溶氮量和溶碳量隨著溫度的升高而增多，使點(diǎn)陣畸變加劇，提高了塑變抗力。

通過圖1，可以更形象地看出，當(dāng)保溫溫度從525℃升高到600℃，保溫時(shí)間從0.5h到2.0h的增加都會(huì)使45＃鋼在基鹽液體軟氮化處理后硬度呈現(xiàn)逐漸變強(qiáng)的趨勢(shì)。

表1 不同處理?xiàng)l件下試樣表面維氏硬度值

圖1 45＃維氏硬度變化曲線

3.2 磨損量

表2為45＃鋼在525℃、550℃、575℃、600℃溫度下分別滲氮0.5h、1h、2h、4h之后在 MMW－1A萬試驗(yàn)機(jī)能摩擦磨損上試驗(yàn)后的結(jié)果。通過分析表2的數(shù)據(jù)，在525℃、550℃、575℃、600℃四個(gè)溫度條件下的磨損量均比未處理時(shí)的磨損量要小，這表明45＃鋼經(jīng)過表面滲氮處理后耐磨性有所增強(qiáng)。

鋼經(jīng)軟氮化后在其表面形成一層非常薄的白亮層。資料顯示：軟氮化形成的白亮層化合物中的ε相除含有N 以外，還含有少量的C，含C的ε相具有高的硬度、耐磨性。由于表層的高硬度的氮化物、氮碳化物的形成，從而使其耐磨性得到明顯提高。

此外，在同一溫度下，隨著滲氮時(shí)間的增加（從0.5h增加到4h），磨損量均逐漸減小。如表2中保溫溫度為525℃的一組所示，在0.5h時(shí)45＃鋼的磨損量為0.530 703g，在1h時(shí)45＃鋼的磨損量為0.201 25g，在2h時(shí)45＃鋼的磨損量為0.164 467g，在4h時(shí)45＃鋼的磨損量為0.124 794g，磨損量依次減小。這也表明，在同一溫度下，45＃的耐磨性隨保溫時(shí)間的增加而增強(qiáng)。在同一溫度下，化合物層的厚度隨著軟氮化時(shí)間的延長而增加，故耐磨性得到增強(qiáng)。

表2 不同處理?xiàng)l件下試樣表面磨損量

同理，在同一滲氮時(shí)間下，隨著保溫溫度的增加，45＃鋼的磨損量也有不同程度的改變。如表2中數(shù)據(jù)所示，在0.5h的保溫時(shí)間下，525℃的磨損量為0.530 703g，550℃的磨損量為0.398 95g，575℃的磨損量為0.354 667g，600℃的磨損量為0.261 938g，不難發(fā)現(xiàn)，磨損量也是依次減小。換言之，隨保溫溫度的增加，相應(yīng)試樣的耐磨性有所增強(qiáng)。在同一時(shí)間下，化合物層的厚度隨著滲氮溫度的升高而增加，故耐磨性得到增強(qiáng)。

3.3 摩擦系數(shù)

從表3中可知，經(jīng)過滲氮處理的試樣摩擦系數(shù)的平均值都比未處理的試樣摩擦系數(shù)低；其次，對(duì)于同種溫度條件，滲氮時(shí)間越長則其對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)則越小，如在保溫溫度525℃時(shí)，當(dāng)保溫時(shí)間從0.5h增加到4h時(shí)，其摩擦系數(shù)依次為：0.706 9，0.649 2，0.562 6，0.393 1。對(duì)于相同保溫時(shí)間，則保溫溫度越高，對(duì)應(yīng)摩擦系數(shù)越小，如在0.5h條件下，保溫溫度從525℃增加到600℃時(shí)，對(duì)應(yīng)摩擦系數(shù)依次為：0.706 9，0.664 5，0.662，0.652 4。

表3 不同處理?xiàng)l件下試樣表面摩擦系數(shù)

結(jié)合圖2，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)保溫溫度從525℃上升到600℃時(shí)，保溫時(shí)間從0.5h上升到4h時(shí)，45＃鋼的摩擦系數(shù)都逐漸減小，這與表3的數(shù)據(jù)相符。摩擦系數(shù)的減小也表明了耐磨性的增強(qiáng)，這也與表2中對(duì)于磨損量的研究結(jié)論符合。

圖2 45＃摩擦系數(shù)變化曲線

3.4 表面磨損情況觀察

由圖3可發(fā)現(xiàn)，試樣磨損表面出現(xiàn)金屬光澤且摩擦表面非常粗糙，結(jié)合表2可知試樣磨損量最大，與之前得到的數(shù)據(jù)相吻合。對(duì)比圖4到圖7可以發(fā)現(xiàn)，同一溫度下，隨時(shí)間的增加，試樣表面的劃痕越來越細(xì)，這表明試樣的磨損量逐漸減小，耐磨性能增加。同樣，在同一滲氮時(shí)間下，45＃鋼表面耐磨性隨著溫度的升高有明顯的改觀。如分別觀察圖4到圖7的（a）圖可以發(fā)現(xiàn)，試樣表面的劃痕逐漸減小。這符合表2中的數(shù)據(jù)。通常磨料磨損的磨損形式是磨損表面的犁溝痕跡，所以可以判斷以上磨損形貌所表現(xiàn)的磨損形式為磨料磨損。而一對(duì)摩擦副相互接觸發(fā)生黏著后，因相對(duì)運(yùn)動(dòng)，金屬表面的黏著區(qū)（點(diǎn)）在剪切力作用下被間斷，從而出現(xiàn)一個(gè)表面的金屬向另一個(gè)遷移，形成磨粒，導(dǎo)致磨損；其外觀特點(diǎn)是摩擦面比較光滑；這一現(xiàn)象很符合圖中的磨損形貌特征，所以圖示磨損形式屬于磨料磨損并且隨著黏著磨損。

圖3 未經(jīng)基鹽液體軟氮化處理試樣在50N載荷、400r/min、10min條件下磨損形表面形貌（放大倍數(shù)：40×）

圖4 保溫溫度525℃、四種保溫時(shí)間試樣在50N載荷、400r/min、10min條件下磨損表面形貌：（a）0.5h；（b）1.0h；（c）2h；（d）4h（放大倍數(shù)：40×）

圖5 保溫溫度550℃、四種保溫時(shí)間試樣在50N載荷、400r/min、10min條件下磨損表面形貌：（a）0.5h；（b）1.0h；（c）2h；（d）4h（放大倍數(shù)：40×）

圖6 保溫溫度575℃、四種保溫時(shí)間試樣在50N載荷、400r/min、10min條件下磨損表面形貌：（a）0.5h；（b）1.0h；（c）2h；（d）4h（放大倍數(shù)：40×）

圖7 保溫溫度600℃、四種保溫時(shí)間試樣在50N載荷、400r/min、10min條件下磨損表面形貌：（a）0.5h；（b）1.0h；（c）2h；（d）4h（放大倍數(shù)：40×）

4 結(jié)論

（1）45＃鋼經(jīng)過表面滲氮處理后耐磨性有所增強(qiáng)。在同一保溫溫度條件下，保溫時(shí)間的增加對(duì)耐磨性也有很大的改善。在相同滲氮時(shí)間這一條件下，隨著實(shí)驗(yàn)溫度從525℃到600℃的升高，試樣的磨損量也有明顯的減小。由此可見，保溫溫度從525℃到600℃的升高，保溫時(shí)間從0.5h到4h的增加都會(huì)使45＃鋼在基鹽液體軟氮化處理中耐磨性呈現(xiàn)逐漸變強(qiáng)的趨勢(shì)。

（2）對(duì)于同種溫度條件，保溫時(shí)間越長其對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)則越小，對(duì)于相同保溫時(shí)間，則保溫溫度越高，對(duì)應(yīng)摩擦系數(shù)越小。由此，保溫溫度從525℃到600℃的升高，保溫時(shí)間從0.5h到4h的增加都會(huì)使45＃鋼在基鹽液體軟氮化處理中摩擦系數(shù)減小，抗咬合能力增強(qiáng)。

（3）對(duì)于同種溫度條件，保溫時(shí)間越長其對(duì)應(yīng)的硬度則越大，對(duì)于相同保溫時(shí)間，則保溫溫度越高，對(duì)應(yīng)硬度越大。由此，保溫溫度從525℃到600℃的升高，保溫時(shí)間從0.5h到4h的增加都會(huì)使45＃鋼在基鹽液體軟氮化處理中硬度增加。

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