碳鋼表面Ni-Cr共滲層的磨損性能研究①

朱曉林，姚正軍，張平則

(1.江蘇省產品質量監督檢驗研究院， 江蘇 南京　210007； 2 南京航空航天大學， 江蘇 南京　211100)

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碳鋼表面Ni-Cr共滲層的磨損性能研究①

朱曉林1,2，姚正軍2，張平則2

(1.江蘇省產品質量監督檢驗研究院， 江蘇 南京210007； 2 南京航空航天大學， 江蘇 南京211100)

采用雙層輝光等離子合金化技術在碳鋼表面制備Ni-Cr合金層，通過掃描電鏡、維氏硬度計和摩擦磨損試驗機表征了合金層的組織形貌、顯微硬度和摩擦磨損行為。結果表明：雙輝等離子鎳鉻共滲后，碳鋼表面形成了有效厚度約12μm的合金層，合金層均勻致密，無孔洞裂紋等缺陷，合金層表面晶粒呈顆粒狀，且結聚成團。滲后試樣表面顯微維氏硬度相對于基體提高了約一倍。合金層具有良好的耐磨性，在常溫下的磨損失重相對基體降低了4倍以上。

摩擦磨損； Ni-Cr合金層； 等離子合金化

引　言

磨損是工件失效和材料損耗的主要方式之一。隨著工業化進程的深入，其危害日趨嚴重。科技工作者一直重視耐磨材料和減摩技術的發展，以期對磨損進行有效控制。磨損一般是從材料表面、亞表面或因表面因素而引起[1-2]的，因此采用表面工程技術在廉價基體上制備耐磨合金層取代整體材料，對降低成本，減少材料的消耗，實現經濟的可持續發展具有重大意義。

鎳鉻合金具有優異的耐磨、耐蝕、熱強性、抗氧化等綜合性能，并且兼具很好的力學性能和加工性能[3]，適宜于現代工業技術下苛刻的介質環境和服役工況，因此在零件的表面防護和修復方面得到了廣泛的重視，已成功應用于航天航空、石油化工、水電水利等行業[4]。鎳鉻合金中，鉻加入引起的固溶強化使其具有較高的硬度和表面強度，其耐磨性和耐熱性遠優于鐵基的，甚至接近鈷基合金[5]。碳不能固溶于鎳奧氏體中，當合金中含碳量大于0.1%，便會以游離態析出。鉻是強的碳化物組成元素，會與析出的碳形成Cr7C3和Cr23C6化合物，可以顯著提高合金的硬度和耐磨性。然而Ni,Cr作為重要戰略元素，由于價格昂貴使其應用受到一定限制。本文采用雙層輝光等離子表面冶金技術在碳鋼表面制備Ni-Cr 共滲合金層, 并對其組織形貌、顯微硬度和摩擦磨損性能進行了測試分析。以期解決經濟性與實用性的矛盾，推進并拓寬Ni-Cr合金的應用范圍。

1　實驗過程

采用中科院沈陽科學儀器研制中心有限公司生產的“雙輝等離子滲金屬爐”進行碳鋼表面的鎳鉻合金共滲。采用光學顯微鏡(OM)和美國FEI公司QUANTA200型掃描電鏡研究滲層的顯微組織和形貌，采用HXS-1000A型顯微硬度計測量滲層的硬度。

合金層摩擦磨損性能表征采用中國科學院蘭州化學物理研究所生產的HT-500微型摩擦磨損試驗機。試驗在沒有任何潤滑的條件下進行，相對濕度45%±5%。測試溫度為20 ℃±4 ℃。對磨材料為直徑3 mm的GCr15球和Si3N4陶瓷球。電機轉速560 r/min，回轉半徑3 mm，載荷150 g，磨損時間15 min。

2　結果與分析

2.1合金層表面形貌

圖1為雙輝鎳鉻共滲前后試樣表面形貌。普碳鋼Q235試樣在經過雙層輝光離子表面合金化之后其表面形貌發生顯著變化，Ni-Cr共滲處理后試樣表面光滑平整，呈白亮色金屬光澤。由于濺射的Ni、Cr原子的沉積和晶粒的團聚生長使其表面光潔度相對于原始機械拋光鏡面有所下降。圖1(b)為合金層宏觀形貌，表面均勻致密。在1000倍放大時(如圖2所示)可觀察到浮凸表面形貌，合金層呈顆粒狀分布，許多小的胞狀物顆粒聚集而成大顆粒，顆粒之間緊密連接，局部團聚在一起形成蘑菇云團。圖3為試樣截面的SEM照片，可清晰觀察到形成了同基體界限分明的合金滲鍍層，合金層厚度約12 μm，均勻致密，無明顯缺陷。使用能譜儀對滲層截面沿表面向基體的方向進行成分線掃描，Fe，Ni，Cr 元素從表面至基體呈明顯的梯度分布[6]。因此該界限并非純粹的Ni-Cr沉積層與普碳鋼之間兩種不同材料的界面，而是不同物相間的界面。

圖1　試樣表面宏觀形貌

圖2　合金層表面微觀形貌(1000X)

圖3　合金層截面形貌(5000X)

2.2合金層顯微維氏硬度

硬度是材料耐磨性能的重要影響因素之一。一般來說，硬度越高，材料的耐磨性能越好。由于合金層厚度較小，難以在截面對其硬度隨元素深度變化的分布趨勢進行分析，本課題采用HXS-100A顯微維氏硬度計僅對試樣表面進行顯微維氏硬度測試，加載載荷100 g，保持時間15 s。基體的顯微維氏硬度平均為188.6，而合金層由于不同區域的組織結構和物相不同而分布不均，固溶體處硬度值略低，而碳化物析出位置的硬度值相對較高，其表面硬度平均值為362.5。可見Q235鋼表面鎳鉻共滲形成的合金層的顯微維氏硬度相對于基體提高了約一倍。一方面合金層表面化合物相具有較高的硬度和強度；另一方面，鎳鉻原子的滲入也通過固溶作用使表面強化。這種硬度的提高對其耐磨性能的提高非常有利。

2.3摩擦磨損性能

碳鋼是常用的工程材料，其工作表面經常處于無潤滑環境中，因此本文著重于對滲鍍層在干摩擦條件下的摩擦磨損性能進行研究。

2.3.1摩擦系數

圖4，5分別為經表面合金化處理的滲后試樣和基體與不同對磨材料配副((a) GCr15；(b) Si3N4)時的摩擦系數曲線。結果表明合金層與GCr15對磨時的摩擦系數較低，除跑合階段外曲線波動較小，摩擦非常平穩。滲層與Si3N4組成摩擦副時，跑合階段相對于GCr15做摩擦副時明顯縮短，在一分鐘內即達到穩定磨損狀態，而且在跑合階段其摩擦系數亦平穩增加，沒有劇烈波動，說明合金層的表面狀態較好。此后摩擦系數維持在約0.8左右，并隨著磨損的持續，表面粗糙度的減小而略有下降。

圖4　合金層與不同摩擦副作用下的摩擦曲線

圖5　基體與不同摩擦副作用下的摩擦曲線

同Q235鋼基體相比(如圖5所示)，合金層在同GCr15和Si3N4做摩擦副時其摩擦系數均有明顯增加，其原因在于雙輝技術制備的合金層按照Volmer-Weber[7]生長模式生長，由孤立的晶核逐漸長大為島狀，隨著濺射沉積的進行，小島不斷長大，并有新的小島產生，小島之間長大融合而成薄膜，因此其表面呈明顯的顆粒狀形貌，粗糙度較高。另一方面，Ni-Cr合金相對于基體具有較高的硬度，而且Cr與游離的C反應生成的Cr23C6的析出充當了硬質磨粒，鎳基基體起到塑韌性支撐體的作用。在此條件下加上一定載荷，摩擦總是發生在一部分接觸峰點上，摩擦表面處于彈塑性接觸狀態，凸起的尖峰相互嵌入，在外載荷作用下主要發生磨粒磨損，產生切削和塑性變形，由于涂層的硬度遠高于基體，因此塑性變形和切削作用均更難發生，導致其摩擦系數增加。

2.3.2磨損形貌和磨損量

圖6(a)，(b)為合金層分別與GCr15，Si3N4配副時的常溫摩擦磨損形貌，由兩圖可以看出摩擦表面存在明顯的梨溝和劃痕條紋，沿磨損方向并列排布，合金層發生典型的磨粒磨損。表面梨溝的形成一方面是由于對磨件表面凸起的硬質相形成的磨痕，另一方面是磨損切削導致磨下的碎屑殘存在摩擦副兩表面之間形成的三體磨損[8]。三體磨損類似于研磨作用，磨粒與材料表面之間的接觸應力非常高，因此常使摩擦表面產生塑性變形或者接觸疲勞磨損。磨粒磨損的特性直接受對磨件的硬度影響，當磨料硬度低于試件材料硬度時，不產生磨粒磨損或產生輕微磨損，而當磨料硬度超過試件材料硬度以后，磨損量隨磨料硬度而增加。GCr15的硬度值遠低于Si3N4，因此在摩擦過程中，Si3N4對于對磨件的磨粒磨損切削作用更加明顯，磨損量也高于同GCr15對磨的磨損失重(如表1所示)。

基體材料與兩對磨件的摩擦形貌如圖7所示，基體的磨痕呈溝壑狀，深且寬，磨損嚴重。合金涂層的梨溝明顯更淺也更窄，這得益于Ni-Cr合金較好的強度和表面硬度。

圖6　合金層與不同摩擦副作用下的摩擦形貌

材料對磨材料載荷/g磨損時間/min磨損失重/g基體GCr15150150.0025基體Si3N4150150.0028合金層GCr15150150.0004合金層Si3N4150150.0006

圖7　基體與不同摩擦副作用下的摩擦形貌

摩擦磨損時摩擦力的大小主要受接觸面積和材料的變形狀態影響，在一定的載荷下，磨損首先發生在一部分凸起的接觸峰點上。合金層由顆粒狀的表面形貌構成，表面硬度和強度均較高。通過合金層的物相和成分分析[5]可知，合金層元素呈梯度分布，與基體冶金結合，不易破碎剝落，而且有Cr23C6硬質碳化物顆粒的析出，因此其耐磨性相對于基體顯著提高，在相同條件下的磨損失重僅為1/4左右(如表1所示)。

理想的耐磨材料組織應當是在塑韌性較好的基體上分布著許多硬顆粒的異質結構。本雙輝技術制備的Ni-Cr合金層的耐磨性能的提高即與鎳基體起到塑性支撐的作用而析出的硬質化合物充當了承擔載荷的尖峰密切相關。在正常載荷作用下，主要由突出在摩擦表面的硬質相直接承受載荷，發生接觸和滑動摩擦，基體軟相起到支撐作用，由于主要是硬質相發生接觸和相對滑動，因此磨損量很低。又由于硬質相被支持在軟基體之上，易于變形而不至于擦傷相互摩擦的表面，同時軟基體還可以使硬質相上壓力分布均勻，當載荷增加時，承受壓力增大的硬質顆粒陷入基體中，將使得更多的硬顆粒承載而達到載荷均勻分布。

3　結　論

(1)通過雙層輝光等離子表面合金化技術可在碳鋼表面制備Ni-Cr共滲合金層，合金層均勻致密，無孔洞、裂紋等缺陷，合金層表面呈顆粒狀，且結聚成團。

(2)合金層表面顯微維氏硬度相對于基體提高了約一倍。

(3)合金層耐磨性能提高明顯，得益于較高的硬度和表面強度，Ni-Cr涂層的磨損失重相對基體降低了約4倍。

[1]溫詩鑄, 黃平. 摩擦學原理[M]. 北京: 清華大學出版社, 2002.

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[4]蘇義祥, 廖乃飛, 侯鳳剛, 等.新型碲鎳鉻合金粉末材料顯微組織分析[J]. 蘭州理工大學學報,2010,36(6):1—4.

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2016-01-28

朱曉林(1983—)，男，工程師。E-mail:gjgcsc@163.com

TG115.5+8