金屬表面滲錫強化技術(shù)研究與應(yīng)用

■ 劉靜 楊朝陽 張立 孫黎 吳雨橋 周佳 茄菊紅 吳曉偉/中國航發(fā)西控

金屬表面滲錫強化技術(shù)是將金屬元素通過“鍍覆+熱擴散”的方法滲入到金屬基體中，以有效地提高金屬表面硬度和耐磨性，且易光亮加工，具有良好的減摩效果和防卡滯性能。

中國航發(fā)西控在研制一款新型高壓柱塞泵時，參照相關(guān)設(shè)計資料，須對多項零件進行表面鍍錫（Delsun）處理，要求厚度≥10μm，硬度≥600HV。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)對此項技術(shù)沒有開展過研究，且文獻資料中對此項技術(shù)的報道也是少之又少。因此，開展金屬表面滲錫強化技術(shù)研究，揭示耐磨滲層形成機理，探討該技術(shù)在工程方面的合理應(yīng)用，成為技術(shù)發(fā)展和儲備的迫切任務(wù)。

金屬表面滲錫強化原理

錫鍍層雖然很早就被用作減摩材料，但實踐證明其耐磨性能差，而通過熱冶金的方法可以獲得不同的多相合金，能較好地改善其耐磨性能，使得多相的錫基合金在減摩軸承獲得了一定的工程應(yīng)用。但由于熱法冶金可以獲得的多相合金的組成有限，加上多相錫基合金制備上的困難，至今所使用的減摩錫基合金的種類及其性能還遠不盡人意。而鍍錫（電鍍或熱浸鍍）之后，熱擴散過程中利用升溫達到錫熔點，錫層處于熔融狀態(tài)，能量起伏較大，空位濃度增加，銅、鐵等基體材料經(jīng)短時熔解后即開始向錫層擴散，在擴散溫度下生成多相化合物，可獲得耐磨、減摩改性表面強化層。硬質(zhì)相增加了表面硬度，增強了表面承載能力，抑制了摩擦表面之間的黏著及燒傷而引起的“金屬轉(zhuǎn)移”。多相之間以牢固的冶金結(jié)合，有利于承受高的疲勞應(yīng)力，緩解疲勞磨損。

圖1 Cu-Sn二元平衡相圖

中國航發(fā)西控的創(chuàng)新團隊在對銅合金、鋼材開展?jié)B錫擴散強化處理研究時，獲得多相耐磨表面組織結(jié)構(gòu)。這是因為，從基材主元素與錫（Sn）元素的相圖（如圖1所示）分析，銅（Cu）、鐵（Fe）與錫（Sn）能形成多種硬質(zhì)化合物相，且Sn自身的化學(xué)活性大，對于擴散過程十分有利。

金屬表面滲錫強化研究過程

在搞清楚金屬表面滲錫強化的原理之后，創(chuàng)新團隊開展了金屬表面滲錫強化的過程研究。

圖2 工藝流程

第一步，設(shè)定工藝流程，如圖2所示。

第二步，活化處理?？紤]鋼鐵試樣鍍錫后，在保護下加熱擴散退火時錫層處于過熱熔融狀態(tài)，為保證其能均勻附著在基體上不致流淌聚集，良好的活化處理十分重要，故借鑒了錫鋼板生產(chǎn)的活化處理方式。

第三步，鍍錫。鍍錫工藝可分為熱鍍和電鍍兩種工藝方法。考慮熱浸鍍獲得的鍍層較厚，熱浸中的反應(yīng)使得界面不像電鍍那般清晰，因此，在研究中直接選用成熟的堿性電鍍工藝。

第四步，擴散處理。試樣采用炭粉或氮氣保護，避免加熱保溫時錫被氧化。試驗用井式電阻爐進行擴散退火處理。加熱溫度控制低于基材回火溫度，以避免過高溫度損傷基體材料本身的組織性能。擴散處理后試樣冷卻方式可采用隨爐冷卻或自爐中取出后在保護氣氛中緩冷。

第五步，合金鋼表面鍍錫擴散。即通過工藝參數(shù)調(diào)整和改性層性能測試與分析，不斷完善和優(yōu)化工藝技術(shù)方法，同時通過單因素對比揭示各參量影響規(guī)律。

第六步，銅合金表面鍍錫擴散。通過工藝參數(shù)調(diào)整和改性層性能測試與分析，不斷完善和優(yōu)化工藝技術(shù)方法，同時通過單因素對比揭示各參量影響規(guī)律。

金屬表面滲錫強化層評價及機制分析

組織結(jié)構(gòu)與成分分布的分析

借助金相顯微鏡對經(jīng)過化學(xué)浸蝕的試樣剖面進行光學(xué)顯微（OM）分析；利用X射線衍射儀來分析滲鍍層物相組成；滲層表面形貌及形態(tài)結(jié)構(gòu)采用掃描電鏡進行觀察；用輝光放電光譜分析儀分析滲鍍層中的元素沿層深分布。

顯微硬度測試

用顯微硬度計對表面多點平行測定，求出平均值；對于剖面則采用逐次沿深度向內(nèi)測試的方法，測試硬度沿層深的變化規(guī)律。

韌性評價

有選擇地采用靜態(tài)壓入及小能量疲勞試驗方法進行評價。

摩擦磨損行為表征

干摩擦磨損研究在球-盤（或栓）摩擦磨損試驗機上進行；采用掃描電子顯微鏡（SEM）方法觀察磨損形態(tài)特征，并結(jié)合試驗機自帶的摩擦因數(shù)的測定結(jié)果等綜合評價改性層的耐磨性能，分析磨損機制情況，以評價所試驗的材料表面的耐磨損性能。

力學(xué)性能影響評價

在改性強化處理后，對于試樣的靜態(tài)拉伸性能影響可通過拉伸試驗機，依照GB13239—2006測試基材及改性處理試樣的屈服強度、抗拉強度、彈性模量、延伸率和斷面收縮率參量的對比進行評價；常規(guī)疲勞試驗在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機上進行；疲勞斷口的形貌特征采用掃描電鏡觀察分析評價表面處理對材料常規(guī)疲勞性能的影響。

金屬表面滲錫強化實施情況

本項目已取得階段性的成果，已成功研究出銅及銅合金表面滲錫強化的工藝方法，已應(yīng)用推廣到6型產(chǎn)品中，并摸索出常見合金鋼的滲錫強化工藝參數(shù)。

2011— 2013年，通過120多組工藝試驗，研究出銅及銅合金表面滲錫強化的工藝方法，并與樣件進行性能對比：

● 擴散層的厚度和硬度均明顯比樣件的高，見表1。

● 對膜層進行組織結(jié)構(gòu)與成分分布的分析。擴散過渡層中間夾有富錫層，錫含量49%，擴散層金相組織中的富錫相整體呈均勻分布，與樣件的組織基本相當(dāng)，錫含量有輕微差異（樣件的錫含量為40%），不同放大倍數(shù)下的試驗件滲層形貌如圖3所示，可以看出滲層比較均勻。

表1 自制試生產(chǎn)件與樣件的對比

圖3 滲層樣件形貌圖

圖4 鍍錫熱擴散改性層硬度及錫含量分布曲線

● 由表及里的硬度分布結(jié)構(gòu)賦予改性層優(yōu)異的耐磨耐久性，如圖4所示。a層為微米級的極薄層，起著耐燒傷作用，另外，在摩擦過程中，它也有好的順應(yīng)性和對異物的嵌藏性；b層直接處在具有耐燒傷性層下面，作為連接塑性外層與硬化層之間的平緩過渡是非常理想的； c層硬度更高，在高負載下也不塑性變形，構(gòu)成硬化層，工件可因此使得耐疲勞性、抗咬合性及承載能力得到提高； d層在硬化層下面，由錫滲入基體擴散形成對母材的塑性變形，有充分的延展性，對防止鍍層崩落十分有益。

● 摩擦磨損行為表征。用試件在耐磨損試驗機上試驗，結(jié)果見表2。

金屬表面滲錫強化應(yīng)用及推廣效果

本項目已取得顯著的、階段性的成果。

研究出的銅及銅合金表面滲錫強化的工藝方法，將銅合金的表面硬度提高到≥650HV，擴散膜層厚度≥10μm，該膜層有較高的硬度、耐磨損性能和韌性，且對基體零件的力學(xué)性能影響較小，而且延續(xù)銅及銅合金的很多良好性能（導(dǎo)熱性、減摩、防卡滯、易光亮加工等），大大擴展了銅及銅合金的應(yīng)用領(lǐng)域。該工藝方法生成的膜層是錫與基體銅結(jié)合生成另一種相組織，不像電鍍、噴涂等工藝方法存在膜層與基體的結(jié)合力問題，所以在很多領(lǐng)域能夠代替電鍍層的應(yīng)用。該工藝已推廣應(yīng)用于中國航發(fā)西控的6型產(chǎn)品零件的批量加工，工藝穩(wěn)定。銅及銅合金表面滲錫強化技術(shù)已申請國家發(fā)明專利，專利名稱：《一種用于強化銅及銅合金表面硬度和耐磨性的工藝方法》，專利號：ZL 2011 1 0366936.2。

表2 自制試生產(chǎn)件與樣件的摩擦性能對比（摩擦速度0.1m/s）

研究出的常用摩擦副鋼件38CrMoAl及2Cr3WMoV的滲錫強化工藝參數(shù)，能夠?qū)摷砻嬗捕忍岣叩健?00HV，擴散膜層厚度≥30μm，由于滲錫強化層表面的富錫層，滲錫強化層不但有良好的耐磨性能，而且有減摩作用，滲錫強化層比常用的滲氮層的性能更優(yōu)。

結(jié)束語

金屬表面滲錫強化技術(shù)首次將金屬元素通過“鍍覆+熱擴散”的方法滲入到金屬制件基體中，可以使金屬表面達到高硬度、高耐磨的性能，具有良好的減摩效果和防卡滯性能，而且易光亮加工。該技術(shù)的突破對多型有延壽和適應(yīng)新環(huán)境要求的產(chǎn)品有非常重要的意義，使用和推廣具有很高的應(yīng)用價值和社會效益。