從硫碳氮三元共滲看影響零件表面磨損壽命的幾個實際問題

孫超

(武漢交通職業學院,湖北武漢 430065)

從硫碳氮三元共滲看影響零件表面磨損壽命的幾個實際問題

孫超

(武漢交通職業學院,湖北武漢 430065)

近些年來,利用表面熱處理提高材料耐磨性的問題一直受到人們的關注。本人也為此進行了輝光離子硫碳氮三元共滲的研究,并從減摩性分析入手取得了較好的研究結果。本文主要從處理后零件表面形成的儲油結構、固體潤滑劑的形成、硬度梯度對磨損的影響三方面入手,進行了表面熱處理方面研究。

減摩性 儲油結構 固體潤滑劑 硬度梯度

利用各種表面處理方法對工件表面進行處理,以達到提高工件的耐磨性能和使用壽命,這一直是許多人在研究的問題。現在常見的提高工件表面耐磨性的方法很多,如表面熱處理、表面淬火、表面硬化等,但由于實際情況的復雜性,許多時候進行的表面處理卻達不到預期的效果。本人從上世紀的八十年代起,就開始進行鑄鐵及鋼材表面處理的研究,并進行了輝光離子硫碳氮三元共滲的研究,在實驗中得到了很好的研究結果。在采用鑄鐵制造的柴油機缸套與活塞環的模擬磨損試驗中,處理后的鑄鐵表面磨損壽命提高到了處理前的5倍。

為此本人結合輝光離子硫碳氮三元共滲試驗情況,對工件處理后的表面熱處理后的表面組織及對耐磨性能的影響進行了分析。這也是本文將主要討論的問題。

1 輝光離子硫碳氮三元共滲后工件表層組織與硬度分析

在對鑄鐵表面進行了輝光離子硫碳氮三元共滲的處理后,我們曾進行了放大500倍的金相顯微的觀察,并觀察到在輝光離子硫碳氮三元共滲后的工件表面形成的十幾微米厚的較光亮表面層,仔細觀察可發現表層中大量的微小、分布較均勻的橢圓狀粒狀物。

通過電子探針分析,S的滲入深度約為8～20μm,而N的滲入深度可高達40μm以上,其擴散深度還可高于此值[1]。S的滲入在最表層中形成了大量的FeS顆粒,這就是前面提到的表層中大量的微小、分布較均勻的橢圓狀粒狀物。

從磨損試驗后的試樣表層金相分析可看出,最表層的橢圓狀粒狀物FeS被磨去,形成大量的微小凹坑。在表層硬度測定的過程中,我們測定出的最表層基體硬度略高于HV400,而在距離表面約30μm處,硬度達到了最高值,此值僅為HV600,略高于未處理前的鑄鐵硬度均值。再向內層,硬度呈緩慢下降的情況。這樣的表層硬度分布情況與通常的表面硬化處理的明顯不同在于:其一,表層硬化層的硬度并不很高;其二,表層的硬度梯度較小。

2 對機械零件表面磨損狀況及耐磨性能的分析

在前述的柴油機缸套與活塞環的硫碳氮三元共滲的試驗中,材料表面的耐磨損性能提高到了處理前的5倍[2],此外有人在齒輪上進行此類實驗時也取得了延長3倍的磨損壽命。為何硫碳氮三元共滲后工件的耐磨性能會有較大程度的提高呢？這關系到如何正確地認識摩擦磨損機理的問題,也是本人在下面將要重點探討的問題。

2.1 正確認識零件表面摩擦磨損壽命需面對的幾個問題

2.1.1 機械零件表面材料的抗磨性與減摩性是決定其耐磨性能的關鍵

本人認為:決定機械零件耐磨壽命的主要因素有兩點,即零件表面的抗磨性與減摩性。抗磨性決定了材料抵抗表面被硬物劃傷的能力,通常情況下材料的表面硬度越高,其抗磨性就越好;而減摩性是材料表面自身具有的或在有潤滑油存在條件下的減低摩擦力能力。

在現在機械制造的表面熱處理中,廣泛引起人們關注的是抗磨性,而減摩性卻常常被忽略。如制造齒輪時,通常進行的是表面滲碳后淬火的最終熱處理,以提高齒輪齒面的硬度。

但這種設計的本身忽略了提高材料減摩性的方面,所以在有些場合是不合適的。在已經可以將材料表面硬度變得很高的今天,重視提高材料的減摩性具有著更加重要的意義。

2.1.2 零件表層的微觀結構對潤滑油膜的影響

現代機械零件的重要工作表面多使用潤滑油來潤滑,潤滑油的潤滑效果在很大程度決定著零件表面的磨損速度及使用壽命。為提高潤滑油的潤滑效果,除去應根據零件在工作時的溫度、表面壓力、速度、工作場合等情況選定合適的潤滑油品種及粘度外,工件表面的微觀結構對潤滑效果也有著不可忽視的重要影響。

根據現代摩擦理論,工件表面的潤滑情況介于干摩擦和理想的液體摩擦之間,若能設法使得表面摩擦狀況向液體摩擦方向接近,就能減小摩擦系數,進而降低磨損程度。在工程實際中,在鋼及鑄鐵類的機械零件中,現在多采用的是增加潤滑油的工作壓力等方法來改變表面摩擦狀況,但這樣的設計存在著增加了生產成本、易造成設備漏油等實際問題。而易被人們忽略的改變零件表層微觀結構的方法,對于改變摩擦表面的狀況往往起著重要作用。這類方法又分為使工件表面被加工成特定的紋路,或使工件表面組織形成特定的儲油結構兩類方法。前者已被用于柴油機汽缸套的生產中,而后者卻只是在有些有色金屬生產的滑動軸承件中被采用(例如鋁基軸承合金等)。

本人在對硫碳氮三元共滲的研究中發現,處理后的工件表面存在著大量的由硫化鐵聚集形成的微小粒狀結構,因硫化鐵的硬度極低,所以磨損時首先被磨掉,并在工件表面形成大量的微小粒狀的凹坑。這些凹坑被稱為儲油結構。在工件表面有潤滑油存在的條件下,這些凹坑的形成起到了儲存潤滑油的作用。工件表面這些儲油結構的大量存在,在很大程度上改善了其摩擦表面潤滑情況,使得摩擦的狀況向液體摩擦趨近,工件表面的摩擦系數降低。

這種情況不但使工件的使用壽命提高,還很好地減少了摩擦生熱。這對于一些因摩擦表面工作時溫度過高,而不得不采用提高潤滑油的冷卻能力、以降低摩擦面溫度的場合,設法通過改變材料的表面結構,以改善工件表面的摩擦狀態,減小摩擦系數及摩擦生熱將有著重要的意義。在很多情況下,硫碳氮三元共滲的的表面熱處理方法能從根本上解決摩擦生熱過多而造成的摩擦面溫度過高的問題。

由此可見,注意零件表層的微觀結構對潤滑油膜的影響,對于一些場合下的零件表面磨損具有重要意義。

2.1.3 摩擦表面產生的固體潤滑劑對磨損的影響

固體潤滑劑是現代機械中常用的一類特殊潤滑劑,它主要添加在一些潤滑脂中,如常用的石墨鈣基潤滑脂、二硫化鉬鋰基脂等,分別是添加了固體潤滑劑石墨或二硫化鉬的潤滑脂。由于石墨或二硫化鉬都屬于硬度極低的固體物質,它們的細小粉末存在于金屬摩擦表面時,可起到良好的潤滑作用,加上固體潤滑劑不像潤滑油那樣會因被潤滑面上的壓力增大而流失,故特別適用于一些壓力較大的特殊場合。

硫碳氮三元共滲后,工件表層中的FeS也是一種硬度很低的化合物,它在摩擦作用下會首先被磨碎,進入摩擦表面,并在以后的摩擦中起到類似于石墨或二硫化鉬的作用,成為良好的減摩劑,能有效地減小了工件表面的摩擦。因此硫碳氮三元共滲后,工件耐磨性顯著提高,而且此法特別適用于摩擦表面壓力較大,容易將潤滑油擠開,而不利于用潤滑油潤滑的場合。

事實上,從其他人的研究結果看,硫碳氮三元共滲對提高大型機械的齒輪的抗咬合性有很好的作用,而且,其在缸套與活塞環的摩擦副情況下,提高材料磨損壽命的效果更加明顯,壽命提高達5倍。這類情況的發生,都與FeS的固體減摩劑作用有著直接的關聯。

以此看來,應該重視工件表面金相組織中的固體潤滑劑對磨損的影響問題。

2.1.4 表面硬度梯度對磨損狀況的影響

零件表面的硬度梯度對于表面具有高硬度工件的正常工作具有很大影響。尤其是在現代,絕大多數的摩擦場合的工件表面都進行了硬化處理。但因工件心部硬度較低,工件表層到心部的硬度梯度就成了必須注意的關鍵問題,此問題處理不好常會造成工件表面在工作早期階段發生嚴重的損壞。

應設法減小工件表面的硬度梯度,避免工件工作時因表面壓力大造成硬化層開裂及剝落的問題。此類問題常常是造成工件早期損壞的重要原因之一。筆者在進行硫碳氮三元共滲的研究中也充分注意到了這一點,盡管共滲后的材料表層硬度并不高,但其耐磨壽命卻明顯提高,而且壽命很穩定,這與共滲后的表層硬度梯度小有著直接的關聯。

由此可知,減小工件表面的硬度梯度對于保證其使用壽命具有重要的意義。

2.2 在提高材料材料磨損壽命方面常出現的一些錯誤認識

2.2.1 零件表面越硬其耐磨性就越好

基于此種錯誤認識,有些人在摩擦磨損零件的表面處理上是在走彎路的。例如:在對柴油機其缸套與活塞環進行表面熱處理時,有人曾采用過進行輝光離子表面氮氧共滲、表面激光淬火等方法的試驗,試圖用提高表面硬度的方法延長其磨損壽命,但實際效果都欠佳,根據本人在船舶上的的實際調查,發現了經輝光離子表面氮氧共滲的部分柴油機汽缸套甚至發生了在最早使用的十幾個小時內就發生了拉缸損壞的嚴重問題。

在鋼材表面進行輝光離子氮化處理,以提高其表面硬度及耐磨性的試驗,從上世紀的八十年代甚至更早就有很多人在研究,但取得突破性大進展的不多,其根本的原因就在于此,將材料表面的硬度與耐磨性等同看待。只有客觀地認識好材料表面的抗磨性和減摩性的關系,注重減摩性的提高,才能在這些場合下找到提高零件磨損壽命的正確熱處理方法。

事實上,零件表面越硬其耐磨性就越好的看法是錯誤的。影響零件表面的因素很多,必須全面、客觀地綜合考慮問題,才能正確地找到提高磨損壽命的方法。

2.2.2 忽視工件表面儲油結構的作用

只關心基體組織自身的耐磨性能,忽視工件表面磨損中出現的儲油結構的作用,這也是當前在材料耐磨性研究中容易出現的問題。

零件表面的磨損壽命不但與其表面組織本身的耐磨性有關,還與其表面的微觀形態等有著重要的關系,而后者是常常容易被人們忽略的問題。當材料表面的減摩性提高,表面摩擦系數降低時,不但可以減小磨損速度,還可以減少摩擦表面的生成的摩擦熱,這對于減低摩擦表面的溫度,減少機械的能源消耗都有著重要的作用。

在材料表面處理技術高度發展的今天,更應對磨損工件的表面在工作時的狀態給予很多的重視與研究,設法通過工件表面合理儲油結構的形成,使潤滑油更好地發揮潤滑效果,減少摩擦磨損及摩擦生熱,提高機械的使用壽命及機械效率。

2.2.3 忽視工件表面硬度梯度對工件使用壽命的作用

在材料表面硬度很高的今天,如果忽視工件表面硬度梯度問題,片面地提高其表面硬度,經常會造成部分工件在工作早期的非正常損壞,從而造成整個機械裝置的早期損壞,嚴重地降低機械工作的可靠性。

為防止這類情況的發生,應更多地注意降低工件表面硬化層的硬度梯度,防止其表面硬度變化過大,硬度梯度過陡,進而防止機械零部件早期損壞,提高機械工作的可靠性。

筆者在進行輝光離子硫碳氮三元共滲的研究時,曾對輝光離子氮氧共滲技術在船舶柴油機缸套與活塞環上的應用結果進行了調查。與輝光離子硫碳氮三元共滲不同的是,輝光離子氮氧共滲后的材料表面硬度高達HV1000以上,但缸套使用時早期的拉缸損壞問題較嚴重,甚至導致了少數船舶大修后柴油機使用壽命僅為十幾個小時的嚴重問題。雖然當時有些人認為這樣的問題是由于發動機的空氣或柴油濾清器的故障造成的,但在之后的檢查中并未發現濾清器的故障,只是進行了缸套與活塞環的更換就解決了此類問題。根據對此問題的具體分析,本人認為:這時的缸套拉缸問題,主要是由于氮氧共滲后的缸套與活塞環表面硬化層很薄、硬度很高,造成表面硬度梯度過大,進而產生了缸套在使用早期產生的表面產生剝落,而剝落下來的高硬度顆粒變成了磨料,使得部分缸套在早期的使用過程中很快產生了拉缸損壞。為解決此問題,本人修改了缸套與活塞環的表面熱處理工藝,用輝光離子硫碳氮三元共滲取代了原來的處理工藝。雖然處理后的缸套與活塞環表明硬度降低,但從未發現其早期損壞的問題,而且其使用壽命達到原來的5倍。通過對輝光離子硫碳氮三元共滲后的工件表面的變化曲線的分析,發現此種處理后的工件表面硬度梯度較小,正是這種較小的硬度梯度確保了缸套與活塞環不會在早期發生非正常的拉缸現象,從而保證了其磨損壽命的穩定性。

筆者認為:在工件表面硬度梯度過大、硬化層過薄時,產生工件表面的早期非正常損壞的主要原因為:高硬度的硬化層后的較低硬度部分在壓應力的作用下產生塑性變形,此變形造成材料表面高硬度層因應力的集中而產生裂紋,當裂紋過多并相互連通時,造成了材料的表面高硬度層的剝落,剝落的高硬度碎塊又以磨料的形式參加到零件的表面磨損中,這就是目前的高硬度表面工件常出現磨損中的早期損壞的重要原因。

3 應如何正確分析零件的磨損失效問題

首先應注意處理好決定機械零件表面耐磨性能及使用壽命的抗磨性與減磨性這兩大方面。應該統籌兼顧地考慮好這兩方面的問題。材料表面的耐磨性情況是個很復雜的問題,其耐磨性與機械零件工作時的表面受力狀況、潤滑情況、材料表面硬度梯度等很多因素有關,實際考慮問題必須結合工件表面磨損失效的具體情況進行綜合性的分析,正確地找出提高零件耐磨性的方法。

為了提高零件的抗磨性,人們通過各種處理方法來提高工件表面的硬度,這樣的設計思想使得零件表面的硬度變得越來越高,這種過高的表面硬度很容易造成材料表面附近的硬度梯度過大,進而產生零件在使用中的早期表面硬化層的剝落問題,甚至因為此種剝落帶來工件表面的早期磨損突然加劇而失效的嚴重問題。

根據目前的實際情況,筆者認為:在一些情況下,要特別注意到提高工件減磨性的問題,這是常常容易被人們忽略,但又決定著零件表面磨損壽命的大問題。所以,設法提高減摩性應是目前的表面熱處理研究中特別要關注的大問題。至于如何提高減摩性本文的前面以介紹過,現總結如下。其一是設法使工件表面形成微觀儲油結構,以加強潤滑油的潤滑效果;其二是要注意工件表面的化合物物理性能,使其能夠充當固體減摩劑;其三是設法減小表面層的硬度梯度,以防止表面硬化層的早期剝落。在許多情況下,處理好這三方面的問題決定著表面熱處理成敗的關鍵。

以上是本人在提高零件耐磨性能的表面熱處理研究中的一些體會和經驗,希望能與其他關注表面熱處理的同行一起分享。

[1]孫超.船用柴油機氣缸套及活塞環采用輝光離子硫碳氮三元共滲的研究.武漢船舶職業技術學院學報,2005,(5):14-15.

[2]孫超.輝光離子硫碳氮三元共滲工藝的特點及應用前景.武漢交通職業技術學院學報,2012,(2):75-77.

In recent years, the use of surface heat treatment increase r esistance to wear of material problems has been attracting the attention of people.I was studied about the glow ion S C N altogether permeability, good results were obtained from the analysis on anti-friction. This paper mainly analyzes what the surface of the oil storage structure,the formation of solid lubricant and hardness gradient effect on the wear and tear after surface heat treatment.

Antifriction Oil storage structure Solid lubricant Hardness gradient

孫超,男,1957年4月24日生,江蘇宿遷人,碩士研究生畢業,副教授,金屬熱處理。