鹽浴軟氮化45鋼與34CrNiMo作用時摩擦性能研究

胡雪，劉利國，劉春霞，陳春慶

(1.江南大學 機械工程學院,江蘇 無錫 214122;2.無錫壓縮機股份有限公司,江蘇 無錫 214145)

0 前言

45鋼是一種機械性能良好的可鍛造結構鋼，具有足夠塑韌性的同時，還有較高的屈服強度、抗拉強度和疲勞強度，作為一些重要設備的齒輪軸，廣泛用于船舶、車輛、飛機、導彈、兵器、鐵路、橋梁、壓力容器、機床等結構。

目前歐美國家已廣泛使用鹽浴軟氮化技術替代氣體氮化和離子氮化技術。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提高鋼材表面強度；斯洛伐克技術大學材料科學與技術學院用硝基氧化的方法提高鋼材的疲勞特性[2]。近幾年來國內鹽浴軟氮化技術發展也是突飛猛進，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備[3]；陳潮漢和盧杰初用鹽浴軟氮化技術進行氣門桿部和錐面強化處理，以提高其強度和耐磨性[4]。但專門研究經鹽浴軟氮化技術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已進行軟氮化處理后的45鋼和34CrNiMo的摩擦系數和磨損量進行測定，結合摩擦機理，探討不同的摩擦條件下兩試件的摩擦性能。

1 試驗及方法

1.1 試件及其工藝處理

下試件的圓塊為34CrNiMo，調質工藝為850℃， 油淬580℃回火。上試件為鹽浴軟氮化45鋼，采用國產無毒原料配制的軟氮化鹽浴，在零件處理時適時添加再生劑、吹入預熱的壓縮空氣，使鹽浴有效成分處于相對較高的活性，提高碳氮共滲效果，降低鹽浴毒性，溫度為565±10℃。試驗流程為：先將經清洗烘干的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 實驗設備及方案

實驗采用的設備是M-2000多功能摩擦磨損試驗機。

試驗時如圖1所示，上試件固定不動，下試件以200 r/min轉動。試件分干摩擦和油摩擦兩組，測定鹽浴軟氮化45鋼與34CrNiMo在90N，180N，396N，450N，600N，720N六組不同載荷下摩擦6min后的摩擦系數以及磨損量。其中油摩擦采用的油為#40機械油，每隔10s向試件表面滴一滴作為補給。具體實驗步驟為：將去除表面氧化層的試件放入無水乙醇中進行5min超聲震動清洗，在電熱鼓風干燥箱中烘干15min后，對試件進行稱重；將稱重后的試件固定在試驗機上磨損6min后停機，讀出穩定時的摩擦扭矩，并算出摩擦系數；絕對磨損量為試驗前后質量之差。

圖1 摩擦上、下試件

根據讀出的穩定摩擦扭矩計算出動摩擦系數的公式為：

其中，M為摩擦扭矩(N·m)，F是載荷(N)，R是下試件外圓半徑(m)。

試驗結束后，使用光學顯微鏡對試件表面進行檢測，觀察接觸區表面形貌的變化，結合干摩擦、油摩擦兩組實驗數據得出的摩擦系數及磨損量曲線圖，分析鹽浴軟氮化45鋼與34CrNiMo作用后的摩擦性能。

2 試驗結果及機理分析

2.1 摩擦及磨損試驗結果

如圖2所示，干摩擦條件下摩擦系數在0.3～0.5之間，且隨載荷的增大而增大，當載荷增大到450N時由于兩試件發生膠合摩擦系數不再繼續增大而是趨于平緩；油摩擦條件下摩擦系數在0.050～0.110之間，且隨載荷的增大而增大，未發生膠合。由圖2可得，油潤滑對減小試件摩擦系數效果顯著。

圖2 鹽浴軟氮化45鋼和34CrNiMo在干、油摩擦下的摩擦系數

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。但當載荷增大到450N時，在干摩擦中，由于膠合現象，磨損率先增大，后減小；油摩擦中，由于油膜破裂，磨損率從平穩到逐漸增大。

圖3 不同實驗條件下的兩組試件在六組不同載荷下的磨損量

2.2 摩擦磨損機理分析

對于干摩擦，摩擦系數隨著載荷的增大而增大，當載荷增大到450N時試件發生膠合，摩擦系數發生變化；隨著載荷繼續增大，由于試件的膠合現象，及接觸面由“點接觸”向“面接觸”轉變，摩擦系數不再增大。對于油摩擦，由于磨損試驗過程中定時滴加潤滑油作為補給，使潤滑油中極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，使其摩擦系數遠小于干摩擦。當載荷小于450N時，摩擦系數隨載荷的增大而增大，但增幅很小；當載荷增大到450N時，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，摩擦系數變大；隨著載荷繼續增大，摩擦系數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“亮光”，這是由于隨著載荷的增加，摩擦熱的積累，試件表面發生黏著與焊和，過大的黏著力導致材料從試件表面局部脫落，即發生膠合現象。這與圖2中載荷450N處摩擦系數發生變化結果一致。

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，試件表面僅出現一道道“犁溝”，這是粗糙表面和磨屑在試件表面滑動時產生的“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，試件表面發生形變，隨著摩擦溫度的升高，試件的表層機械組織結構改變。對于干摩擦，隨著載荷的增大，接觸面從尖銳的微凸體接觸，再到發生膠合現象后的“面接觸”，最后到摩擦表面開始發生加工硬化，原本尖銳的微凸體或磨粒變得圓滑，微凸體間隙變小，再繼續磨損時，表面的合金碳化物硬質顆粒已經變得不再容易脫離[6]，磨損率經歷由先增大再減小的過程。與圖3中磨損率從450N突然減小的試驗結果相一致。對于油摩擦，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作用，在油膜破裂處兩試件發生邊界摩擦，磨損量大大增加，磨損率也隨之增加。與圖3中磨損量從450N增大的試驗結果一致。

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”部分是由于試件發生加工硬化，摩擦面變得堅硬而平滑所致，此時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 結語

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

2) 干、油摩擦的磨損量均隨著時間的增大而增大。干摩擦下的磨損率由于膠合現象，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用[J].南方冶金學院學報，1999，20(2)：85.

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

[5] 楊建恒，張永振，邱明，等.滑動干摩擦的熱機理淺析[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，2012(5)：86-87.

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