鐵基粉末冶金材料表面滲硫工藝技術(shù)研究

陳學(xué)文

（1. 廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520，2. 廣州市金屬學(xué)會，廣東 廣州 510520）

鐵基粉末冶金是指采用壓制、燒結(jié)等工序，將以鐵為主要成分的金屬粉末混合物或金屬粉末與非金屬粉末的混合物制成工業(yè)制品的工藝技術(shù)。和鑄造、機(jī)加工等傳統(tǒng)的制造工藝技術(shù)相比，鐵基粉末冶金技術(shù)具有節(jié)約原材料、制造精度高和能夠制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品的優(yōu)點(diǎn)，而且，由于其采用了將粉末混合物壓制成型的工藝方法，在材料內(nèi)部會形成大量密集分布的孔隙結(jié)構(gòu)，且孔隙之間相互交錯(cuò)、連通，這些孔隙成為儲存潤滑介質(zhì)最好的場所，經(jīng)過浸油處理后，密集、疏松的孔隙內(nèi)就會儲存一定量的潤滑油，如果將鐵基粉末冶金材料制成軸承或齒輪的摩擦副，當(dāng)摩擦副參與摩擦運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨著溫度升高儲存在孔隙內(nèi)的潤滑油就會析出，實(shí)現(xiàn)摩擦副的“自潤滑”，達(dá)到減少零部件本體磨損的目的，當(dāng)機(jī)械設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，摩擦副工作溫度降低，析出的潤滑油就會被摩擦副中疏松的孔隙重新吸納，而且在溫升析出和降溫吸納的整個(gè)過程中，潤滑油的損耗量很小，因此，可以說鐵基粉末冶金材料具有良好的自潤滑性能。

然而，隨著工業(yè)技術(shù)的更新?lián)Q代，機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)工況越來越復(fù)雜化，機(jī)械零件的運(yùn)轉(zhuǎn)工況向高溫、高速和大載荷的方向發(fā)展，在這種越來越復(fù)雜的運(yùn)行工況下，鐵基粉末冶金材料的自潤滑性能會發(fā)生劣化，由其制造的零部件會出現(xiàn)大量過度磨損、咬合和撕裂等問題，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備中摩擦副的傳遞效率下降，甚至導(dǎo)摩擦副零部件失效。因此，如何增強(qiáng)鐵基粉末冶金材料在高速、高溫和大載荷運(yùn)行工況下的摩擦性能，成為粉末冶金領(lǐng)域面臨的重要課題。而大量的研究表明，通過在鐵基粉末冶金材料的表面進(jìn)行滲硫處理，能夠在其表面形成一層固體潤滑劑，這種固體潤滑劑和高溫條件下從鐵基粉末冶金材料疏松孔隙中析出的潤滑油聯(lián)合作用，能夠使高溫、高速和大載荷工況下運(yùn)轉(zhuǎn)的粉末冶金零部件的摩擦系數(shù)顯著降低，從而提高機(jī)械設(shè)備的使用壽命和保證系統(tǒng)的可靠性。

1 鐵基粉末冶金材料表面滲硫工藝技術(shù)

1.1 滲硫工藝概述

滲硫（又稱硫化）系指在金屬表面通過化學(xué)熱處理的方法滲入硫化物，使其表現(xiàn)附著微米級厚度的硫化物或混合物滲層的工藝過程，該滲層能夠顯著減小金屬工件的摩擦系數(shù)，且具有良好的抗粘著磨損（咬合）性能。目前，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多主要有固體滲硫（又稱粉末滲硫）、氣體滲硫（又稱離子滲硫）和液體滲硫等滲硫方法。其中液體滲硫方法與氣體和固體滲硫相比，雖然存在一定的環(huán)境污染問題，但因具有成本相對低廉、有利于實(shí)現(xiàn)量化作業(yè)等優(yōu)勢，再加上近年來對其工藝流程的改良，改善了其環(huán)境影響程度，因而在粉末冶金材料的處理方面得到了較為廣泛的應(yīng)用。

1.2 制備鐵基粉末冶金材料試樣

為了獲得鐵基粉末冶金材料并對其摩擦性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，首先需要制備鐵基粉末冶金試樣，本文初步確定的材料配方如表 1所示。

表1 鐵基粉末冶金材料元素配方及含量一覽表

按表 1 所示的含量將各元素粉末混合均勻后，放置于壓制容器中，在液壓機(jī)上施加 50t 左右的壓力，將混合粉末壓制成直徑35.4mm、厚度 4.4mm 的圓片，然后將該圓片試樣放置于網(wǎng)帶式燒結(jié)爐中，在 1080℃～ 1150℃溫度下燒結(jié) 3.5h，為防止試樣被污染，燒結(jié)過程中往爐中通入分解氨氣氛，燒結(jié)完畢后，用磨床對試樣上在燒結(jié)時(shí)形成的凸起進(jìn)行打磨處理，磨平后的試樣就具備了表面滲硫的條件。

1.3 表面滲硫試劑配備

本文擬采用液體滲硫方法對鐵基粉末冶金材料進(jìn)行滲硫處理，滲硫液主要由亞硫酸鈉（）、五水硫代硫酸鈉（）、酒石酸（）、七水硫酸亞鐵()和硫脲()等5種物質(zhì)混合而成，各滲硫劑成分的濃度值如表2所示。

表2 滲硫液中各滲劑的濃度值一覽表

1.4 鐵基粉末冶金材料表面滲硫工藝原理

鐵基粉末冶金材料表面滲硫工藝的化學(xué)反應(yīng)原理和微觀腐蝕電池的化學(xué)反應(yīng)過程相類似，即在陽極區(qū)發(fā)生Fe的氧化反應(yīng)，在陰極區(qū)發(fā)生的分解反應(yīng)，具體的化學(xué)反應(yīng)式如下：

隨著以上化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，鐵基粉末冶金材料試樣表面附著區(qū)域溶液中的離子濃度會持續(xù)升高，當(dāng)兩者濃度趨近其沉淀閾值時(shí)，就會結(jié)合形成硫化亞鐵（）沉淀，并緊密的包裹在鐵基粉末冶金材料表面，形成一層致密的保護(hù)膜。

同時(shí)，F(xiàn)e2+也容易和O2被發(fā)生如下的氧化反應(yīng)：

（3）、（4）兩個(gè)氧化反應(yīng)的發(fā)生會抑制FeS的生成，導(dǎo)致FeS保護(hù)膜厚度達(dá)不到預(yù)期的要求。為了抑制（3）、（4）氧化反應(yīng)的發(fā)生，一般需要在滲硫液中加入酒石酸，酒石酸一種抗氧化劑，通過實(shí)驗(yàn)證明，提高滲硫液中酒石酸的濃度，能夠有效抑制以上兩個(gè)氧化反應(yīng)的發(fā)生。但是，酒石酸又是一種有機(jī)羧酸，在表面滲硫反應(yīng)中會電離出H+，會發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)：

導(dǎo)致已經(jīng)生成的FeS溶解，為了盡可能阻止FeS在酸性條件下溶解，一般需要在滲硫液中加入亞硫酸鈉（），亞硫酸鈉在水溶液中不穩(wěn)定，易發(fā)生水解反應(yīng)：

1.5 鐵基粉末冶金材料表面滲硫工藝流程

1.5.1 配制滲硫液

根據(jù)鐵基粉末冶金材料表面滲硫工藝原理，滲硫液中各試劑間會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有些反應(yīng)會對滲硫效果產(chǎn)生影響，為了盡可能減少對生成滲硫?qū)拥南麡O影響，在滲硫液配備時(shí)，要遵循如下順序和要求：首先，確定所需滲硫液的總?cè)莘e，并按照表2所示的濃度比例值，計(jì)算、量取或稱量定量的五種試劑，放置于不同的容器中，然后，在燒杯（燒杯要清洗干凈）中量取一定量的蒸餾水，并依次加入量取或稱量好的亞硫酸鈉、五水硫代硫酸鈉、酒石酸、七水硫酸亞鐵、硫脲等試劑，每加入一種試劑，都要用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，使其完全溶解后，再加入下一種試劑，待所有試劑添加完成后，用蒸餾水沖洗攪拌用的玻璃棒，并將沖洗液加入燒杯中，直至燒杯中的滲硫劑達(dá)到預(yù)先確定的總?cè)莘e。

1.5.2 滲硫工藝步驟

滲硫工藝、工序步驟如表3所示。

2 鐵基粉末冶金材料表面滲硫?qū)游锵嗉闯煞址治?/h2>

2.1 滲硫?qū)游锵嘟M成檢測

對經(jīng)滲硫處理的鐵基粉末冶金材料表面進(jìn)行物相檢測分析，能夠得到如圖1所示的表面滲硫?qū)覺-射線衍射圖譜，從圖中能夠看出，經(jīng)滲硫處理形成的滲硫?qū)哟嬖诿黠@的a：衍射峰，由此可知滲硫?qū)拥闹饕锵喑煞譃椋嗣黠@的衍射峰外，還存在b：和e：的衍射峰，說明滲硫?qū)又谐酥饕煞种猓€存在少量的和等物相，其中是滲硫處理時(shí)硫原子過飽和生成的，而是由于滲硫后的試樣在烘干過程中發(fā)生氧化生成的，從圖1還能夠看出滲硫?qū)又羞€存在這少量的。從以上對滲硫?qū)游锵嗟臋z測分析結(jié)果可知，采用低溫條件下的液體滲硫方法，能夠在鐵基粉末冶金材料表面形成一層主要成分為保護(hù)膜。

表3 鐵基粉末冶金材料表面滲硫工藝、工序步驟一覽表

圖1 鐵基粉末冶金材料表面滲硫?qū)覺-射線衍射圖譜

2.2 滲硫?qū)映煞址治?/h3>

在對滲硫?qū)舆M(jìn)行物相檢測分析的基礎(chǔ)上，對表面滲硫?qū)拥男蚊膊捎脪呙桦娮语@微鏡進(jìn)行觀察分析，能夠得到如圖2所示的SEM圖。從滲硫?qū)覵EM圖可知，主要成分為的滲硫?qū)铀市蚊矠榫栈畹募?xì)小顆粒，且顆粒之間呈疏松堆積，形成多孔結(jié)構(gòu)，大量細(xì)密孔隙具備存儲潤滑油的能力。

圖2 鐵基粉末冶金材料表面滲硫?qū)覵EM圖

3 鐵基粉末冶金材料表面滲硫配方及工藝優(yōu)化

3.1 滲硫液配方優(yōu)化

為了提高鐵基粉末冶金材料表面滲硫?qū)拥馁|(zhì)量，提升其摩擦性能，本文在初始滲硫液配方的基礎(chǔ)上，采用對比實(shí)驗(yàn)法對滲硫液配方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體做法是將五種滲硫劑中的四種的濃度值及其它試驗(yàn)因素保持不變，依次只對其中一種滲硫劑的濃度值做調(diào)整，并對配方調(diào)整后生成的滲硫?qū)拥哪Σ列阅苓M(jìn)行檢測，通過對各種濃度值下的摩擦性能進(jìn)行對比分析，確定最優(yōu)的滲硫劑濃度值，依此類推，最終獲得最優(yōu)的滲硫液配方。

經(jīng)過以上的對比實(shí)驗(yàn)，最終得到滲硫液的優(yōu)化配方為：酒石酸、硫脲、亞硫酸鈉、硫酸亞鐵和硫代硫酸鈉的濃度值分別為6g/L、5g/L、40g/L、5g/L、12g/L。

3.2 滲硫工藝參數(shù)優(yōu)化

在得到最優(yōu)滲硫液配方的基礎(chǔ)上，繼續(xù)采用對比實(shí)驗(yàn)法，對影響鐵基粉末冶金材料表面滲硫?qū)幽Σ列阅艿墓に囈蛩剡M(jìn)行優(yōu)化。具體做法是針對滲硫前的機(jī)械打磨光潔度和酸洗活化時(shí)間、滲硫過程中的滲硫溫度、滲硫時(shí)間等四項(xiàng)工藝參數(shù)，保持其中三項(xiàng)不變，調(diào)整其中一項(xiàng)，然后對獲得的滲硫?qū)淤|(zhì)量、性能等參數(shù)進(jìn)行對比分析，確定該工藝參數(shù)的最佳值，依次類推，最終獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)值。本文經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，得到最佳的工藝參數(shù)為：在機(jī)械打磨工序選用目數(shù)為640的砂紙對試樣進(jìn)行打磨拋光、在酸化活化工序選擇時(shí)間為90s、在滲硫處理工序選擇滲硫時(shí)間為3h、滲硫溫度為50℃時(shí)，獲得的滲硫?qū)淤|(zhì)量和摩擦性能相對最佳。

4 結(jié)束語

本文在對鐵基粉末冶金材料表面滲硫工藝原理、滲硫液初始配方和初始工藝參數(shù)介紹的基礎(chǔ)上，通過對比實(shí)驗(yàn)方法，對滲硫液配方和滲硫工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了最佳的滲硫液配方和最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。研究表明：滲硫液配方和主要工藝參數(shù)對滲硫?qū)拥哪Σ列阅苡兄匾挠绊?，采用?yōu)化的滲硫液配方和工藝參數(shù)對鐵基粉末冶金材料進(jìn)行低溫化學(xué)滲硫處理，能夠在其表面形成摩擦耐磨效果較好的滲硫?qū)印?/p>

在與潤滑油協(xié)同作用下，該滲硫?qū)幽馨l(fā)揮較好的液固協(xié)同潤滑作用，比干磨工況下的摩擦性能提升明顯；在對滲硫試樣施加載荷的情況下，當(dāng)所加載荷在2400N定載以下時(shí)，該滲硫?qū)幽馨l(fā)揮較好的減摩耐磨效果，在小于2400N的逐級加載條件下，對滲硫?qū)拥臏p摩耐磨效果影響較小，但不管是定載荷還是動載荷，當(dāng)所加載荷超過3200N時(shí)，滲硫?qū)幽Σ料禂?shù)會發(fā)生較大的波動，且很快發(fā)生嚴(yán)重的磨損；另外，適當(dāng)?shù)脑黾釉嚇拥哪Σ了俣葧兄谠跐B硫?qū)颖砻嫘纬梢粚訚櫥湍?，能夠有效提高滲硫?qū)拥臏p摩耐磨性能，但太快的運(yùn)轉(zhuǎn)速度下，一旦潤滑油膜被破壞，滲硫?qū)泳蜁焖倌p。

由此可知，對鐵基粉末冶金材料進(jìn)行低溫化學(xué)表面滲硫處理，能夠獲得具有較好減摩耐磨效果的滲硫?qū)?，且該滲硫?qū)幽軌驊?yīng)對一定高溫、高速、大載荷工況，在一定程度上能夠滿足工業(yè)技術(shù)發(fā)展的需求。同時(shí)，對鐵基粉末冶金材料滲硫工藝開展更為深入的研究，對提高鐵基粉末冶金材料的減摩耐磨性能和推廣應(yīng)用范圍都會起到較好的推動作用。