鹽浴軟氮化45鋼與34CrNiMo作用時(shí)摩擦性能研究

胡雪，劉利國，劉春霞，陳春慶

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122;2.無錫壓縮機(jī)股份有限公司,江蘇 無錫 214145)

0 前言

45鋼是一種機(jī)械性能良好的可鍛造結(jié)構(gòu)鋼，具有足夠塑韌性的同時(shí)，還有較高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，作為一些重要設(shè)備的齒輪軸，廣泛用于船舶、車輛、飛機(jī)、導(dǎo)彈、兵器、鐵路、橋梁、壓力容器、機(jī)床等結(jié)構(gòu)。

目前歐美國家已廣泛使用鹽浴軟氮化技術(shù)替代氣體氮化和離子氮化技術(shù)。德國公司所用的固德賽是TENIFER QPQ過程中的氮鹽[1]，通過鹽浴軟氮化技術(shù)提高鋼材表面強(qiáng)度；斯洛伐克技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院用硝基氧化的方法提高鋼材的疲勞特性[2]。近幾年來國內(nèi)鹽浴軟氮化技術(shù)發(fā)展也是突飛猛進(jìn)，劉輝平研制了新型無污染的鹽浴軟氮化基鹽、再生劑以及鹽浴軟氮化設(shè)備[3]；陳潮漢和盧杰初用鹽浴軟氮化技術(shù)進(jìn)行氣門桿部和錐面強(qiáng)化處理，以提高其強(qiáng)度和耐磨性[4]。但專門研究經(jīng)鹽浴軟氮化技術(shù)處理后試件的摩擦性能少之又少。本文在干摩擦和油摩擦兩種情況下對(duì)已進(jìn)行軟氮化處理后的45鋼和34CrNiMo的摩擦系數(shù)和磨損量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)合摩擦機(jī)理，探討不同的摩擦條件下兩試件的摩擦性能。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試件及其工藝處理

下試件的圓塊為34CrNiMo，調(diào)質(zhì)工藝為850℃， 油淬580℃回火。上試件為鹽浴軟氮化45鋼，采用國產(chǎn)無毒原料配制的軟氮化鹽浴，在零件處理時(shí)適時(shí)添加再生劑、吹入預(yù)熱的壓縮空氣，使鹽浴有效成分處于相對(duì)較高的活性，提高碳氮共滲效果，降低鹽浴毒性，溫度為565±10℃。試驗(yàn)流程為：先將經(jīng)清洗烘干的45鋼試件浸入550℃～570℃基鹽鹽浴中100min，然后放入370℃氧化鹽鹽浴中20min,出爐后水冷、煮去試樣表面殘鹽，吹干、浸油。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案

實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備是M-2000多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。

試驗(yàn)時(shí)如圖1所示，上試件固定不動(dòng)，下試件以200 r/min轉(zhuǎn)動(dòng)。試件分干摩擦和油摩擦兩組，測(cè)定鹽浴軟氮化45鋼與34CrNiMo在90N，180N，396N，450N，600N，720N六組不同載荷下摩擦6min后的摩擦系數(shù)以及磨損量。其中油摩擦采用的油為#40機(jī)械油，每隔10s向試件表面滴一滴作為補(bǔ)給。具體實(shí)驗(yàn)步驟為：將去除表面氧化層的試件放入無水乙醇中進(jìn)行5min超聲震動(dòng)清洗，在電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干15min后，對(duì)試件進(jìn)行稱重；將稱重后的試件固定在試驗(yàn)機(jī)上磨損6min后停機(jī)，讀出穩(wěn)定時(shí)的摩擦扭矩，并算出摩擦系數(shù)；絕對(duì)磨損量為試驗(yàn)前后質(zhì)量之差。

圖1 摩擦上、下試件

根據(jù)讀出的穩(wěn)定摩擦扭矩計(jì)算出動(dòng)摩擦系數(shù)的公式為：

其中，M為摩擦扭矩(N·m)，F(xiàn)是載荷(N)，R是下試件外圓半徑(m)。

試驗(yàn)結(jié)束后，使用光學(xué)顯微鏡對(duì)試件表面進(jìn)行檢測(cè)，觀察接觸區(qū)表面形貌的變化，結(jié)合干摩擦、油摩擦兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的摩擦系數(shù)及磨損量曲線圖，分析鹽浴軟氮化45鋼與34CrNiMo作用后的摩擦性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果及機(jī)理分析

2.1 摩擦及磨損試驗(yàn)結(jié)果

如圖2所示，干摩擦條件下摩擦系數(shù)在0.3～0.5之間，且隨載荷的增大而增大，當(dāng)載荷增大到450N時(shí)由于兩試件發(fā)生膠合摩擦系數(shù)不再繼續(xù)增大而是趨于平緩；油摩擦條件下摩擦系數(shù)在0.050～0.110之間，且隨載荷的增大而增大，未發(fā)生膠合。由圖2可得，油潤滑對(duì)減小試件摩擦系數(shù)效果顯著。

圖2 鹽浴軟氮化45鋼和34CrNiMo在干、油摩擦下的摩擦系數(shù)

如圖3所示，無論干摩擦或油摩擦，其磨損量均隨著載荷的增大而增大。但當(dāng)載荷增大到450N時(shí)，在干摩擦中，由于膠合現(xiàn)象，磨損率先增大，后減小；油摩擦中，由于油膜破裂，磨損率從平穩(wěn)到逐漸增大。

圖3 不同實(shí)驗(yàn)條件下的兩組試件在六組不同載荷下的磨損量

2.2 摩擦磨損機(jī)理分析

對(duì)于干摩擦，摩擦系數(shù)隨著載荷的增大而增大，當(dāng)載荷增大到450N時(shí)試件發(fā)生膠合，摩擦系數(shù)發(fā)生變化；隨著載荷繼續(xù)增大，由于試件的膠合現(xiàn)象，及接觸面由“點(diǎn)接觸”向“面接觸”轉(zhuǎn)變，摩擦系數(shù)不再增大。對(duì)于油摩擦，由于磨損試驗(yàn)過程中定時(shí)滴加潤滑油作為補(bǔ)給，使?jié)櫥椭袠O性分子與金屬表面吸附形成一層邊界油膜，減小了摩擦和磨損，使其摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于干摩擦。當(dāng)載荷小于450N時(shí)，摩擦系數(shù)隨載荷的增大而增大，但增幅很小；當(dāng)載荷增大到450N時(shí)，由于載荷的增大以及摩擦熱的積累，致使兩摩擦表面間的潤滑油膜破裂，摩擦系數(shù)變大；隨著載荷繼續(xù)增大，摩擦系數(shù)隨之增大且增幅變大。

如圖4(a)中所示，在載荷450N干摩擦作用下，試件下半部出現(xiàn)“亮光”，這是由于隨著載荷的增加，摩擦熱的積累，試件表面發(fā)生黏著與焊和，過大的黏著力導(dǎo)致材料從試件表面局部脫落，即發(fā)生膠合現(xiàn)象。這與圖2中載荷450N處摩擦系數(shù)發(fā)生變化結(jié)果一致。

如圖4(b)所示，載荷450N油摩擦作用下，由于油潤滑在兩摩擦表面行成一道潤滑油膜，有效減小磨損，試件表面僅出現(xiàn)一道道“犁溝”，這是粗糙表面和磨屑在試件表面滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的“微切削”形成的正常的磨粒磨損的表面[5]。

圖4 載荷450 N，干、油摩擦下試件的表面形貌

在表面摩擦力的作用下，試件表面發(fā)生形變，隨著摩擦溫度的升高，試件的表層機(jī)械組織結(jié)構(gòu)改變。對(duì)于干摩擦，隨著載荷的增大，接觸面從尖銳的微凸體接觸，再到發(fā)生膠合現(xiàn)象后的“面接觸”，最后到摩擦表面開始發(fā)生加工硬化，原本尖銳的微凸體或磨粒變得圓滑，微凸體間隙變小，再繼續(xù)磨損時(shí)，表面的合金碳化物硬質(zhì)顆粒已經(jīng)變得不再容易脫離[6]，磨損率經(jīng)歷由先增大再減小的過程。與圖3中磨損率從450N突然減小的試驗(yàn)結(jié)果相一致。對(duì)于油摩擦，由于載荷的增大，摩擦熱的積累，致使兩摩擦面間的潤滑油膜破裂，由于沒有潤滑油膜減小磨損的保護(hù)作用，在油膜破裂處兩試件發(fā)生邊界摩擦，磨損量大大增加，磨損率也隨之增加。與圖3中磨損量從450N增大的試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖5為干摩擦、油摩擦條件下720N載荷作用下試件表面形貌。如圖5(a)載荷為720N的干摩擦下，圖中“亮光”部分是由于試件發(fā)生加工硬化，摩擦面變得堅(jiān)硬而平滑所致，此時(shí)的磨損量及磨損率都將減小。圖5(b)在載荷為720N的油摩擦下，由于潤滑油膜的破裂，使破裂處由于邊界摩擦出現(xiàn)較深犁溝，其磨損量和磨損率都增大。

圖5 載荷720 N，干、油摩擦下試件的表面形貌

3 結(jié)語

1) 鹽浴軟氮化45鋼和34CrNiMo在油摩擦下的摩擦系數(shù)比干摩擦降低了80.6%，干摩擦條件下由于膠合現(xiàn)象，摩擦系數(shù)隨著載荷的增大，先增大后減小；油摩擦的摩擦系數(shù)隨載荷的增大而增大。

2) 干、油摩擦的磨損量均隨著時(shí)間的增大而增大。干摩擦下的磨損率由于膠合現(xiàn)象，隨載荷的增大，先增大后減小；油摩擦下的磨損率由于潤滑油膜的破裂，隨載荷的增大，先平穩(wěn)后逐漸增大。

[1] J.Bosslet, M.Kreutz,“TUFFTRIDE-/QPQ-Process”, promotional material available online:

http://www.durferrit.com/media/pdf/ Tenifer_QPQ_eng.pdf.

[2] M.Maronek, J.Barta, P.Palcek, K.Ulrich.< Fatigue Properties of Steel Sheets Treated by Nitrooxidation>.World Academy of Science, Engineering and Technology 53 2011.

[3] 劉輝平.新型無污染鹽浴軟氮化工藝的研究與應(yīng)用[J].南方冶金學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，20(2)：85.

[4] 陳潮漢，盧杰初.軟氮化工藝在氣門制造中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2009(10)：98-99.

[5] 楊建恒，張永振，邱明，等.滑動(dòng)干摩擦的熱機(jī)理淺析[J].潤滑與密封，2005，9(5)：175.

[6] 蔡云秀，黃曉明.高鉻鋼摩擦磨損性能研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012(5)：86-87.

[7] 劉家浚.材料磨損原理及其耐磨性[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.