鐵基粉末冶金材料表面滲硫工藝技術研究

陳學文

（1. 廣東工程職業技術學院，廣東 廣州 510520，2. 廣州市金屬學會，廣東 廣州 510520）

鐵基粉末冶金是指采用壓制、燒結等工序，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制品的工藝技術。和鑄造、機加工等傳統的制造工藝技術相比，鐵基粉末冶金技術具有節約原材料、制造精度高和能夠制備復雜結構制品的優點，而且，由于其采用了將粉末混合物壓制成型的工藝方法，在材料內部會形成大量密集分布的孔隙結構，且孔隙之間相互交錯、連通，這些孔隙成為儲存潤滑介質最好的場所，經過浸油處理后，密集、疏松的孔隙內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，當摩擦副參與摩擦運轉時，隨著溫度升高儲存在孔隙內的潤滑油就會析出，實現摩擦副的“自潤滑”，達到減少零部件本體磨損的目的，當機械設備停止運轉后，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，隨著工業技術的更新換代，機械設備的運轉工況越來越復雜化，機械零件的運轉工況向高溫、高速和大載荷的方向發展，在這種越來越復雜的運行工況下，鐵基粉末冶金材料的自潤滑性能會發生劣化，由其制造的零部件會出現大量過度磨損、咬合和撕裂等問題，導致機械設備中摩擦副的傳遞效率下降，甚至導摩擦副零部件失效。因此，如何增強鐵基粉末冶金材料在高速、高溫和大載荷運行工況下的摩擦性能，成為粉末冶金領域面臨的重要課題。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合作用，能夠使高溫、高速和大載荷工況下運轉的粉末冶金零部件的摩擦系數顯著降低，從而提高機械設備的使用壽命和保證系統的可靠性。

1 鐵基粉末冶金材料表面滲硫工藝技術

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熱處理的方法滲入硫化物，使其表現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，且具有良好的抗粘著磨損（咬合）性能。目前，工業領域應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，雖然存在一定的環境污染問題，但因具有成本相對低廉、有利于實現量化作業等優勢，再加上近年來對其工藝流程的改良，改善了其環境影響程度，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行試驗驗證，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帶式燒結爐中，在 1080℃～ 1150℃溫度下燒結 3.5h，為防止試樣被污染，燒結過程中往爐中通入分解氨氣氛，燒結完畢后，用磨床對試樣上在燒結時形成的凸起進行打磨處理，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反應原理和微觀腐蝕電池的化學反應過程相類似，即在陽極區發生Fe的氧化反應，在陰極區發生的分解反應，具體的化學反應式如下：

隨著以上化學反應發生，鐵基粉末冶金材料試樣表面附著區域溶液中的離子濃度會持續升高，當兩者濃度趨近其沉淀閾值時，就會結合形成硫化亞鐵（）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膜。

同時，Fe2+也容易和O2被發生如下的氧化反應：

（3）、（4）兩個氧化反應的發生會抑制FeS的生成，導致FeS保護膜厚度達不到預期的要求。為了抑制（3）、（4）氧化反應的發生，一般需要在滲硫液中加入酒石酸，酒石酸一種抗氧化劑，通過實驗證明，提高滲硫液中酒石酸的濃度，能夠有效抑制以上兩個氧化反應的發生。但是，酒石酸又是一種有機羧酸，在表面滲硫反應中會電離出H+，會發生如下的化學反應：

導致已經生成的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定，易發生水解反應：

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生化學反應，有些反應會對滲硫效果產生影響，為了盡可能減少對生成滲硫層的消極影響，在滲硫液配備時，要遵循如下順序和要求：首先，確定所需滲硫液的總容積，并按照表2所示的濃度比例值，計算、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，都要用玻璃棒充分攪拌，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到預先確定的總容積。

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層物相即成分分析

2.1 滲硫層物相組成檢測

對經滲硫處理的鐵基粉末冶金材料表面進行物相檢測分析，能夠得到如圖1所示的表面滲硫層X-射線衍射圖譜，從圖中能夠看出，經滲硫處理形成的滲硫層存在明顯的a：衍射峰，由此可知滲硫層的主要物相成分為，除了明顯的衍射峰外，還存在b：和e：的衍射峰，說明滲硫層中除了主要成分之外，還存在少量的和等物相，其中是滲硫處理時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生氧化生成的，從圖1還能夠看出滲硫層中還存在這少量的。從以上對滲硫層物相的檢測分析結果可知，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層X-射線衍射圖譜

2.2 滲硫層成分分析

在對滲硫層進行物相檢測分析的基礎上，對表面滲硫層的形貌采用掃描電子顯微鏡進行觀察分析，能夠得到如圖2所示的SEM圖。從滲硫層SEM圖可知，主要成分為的滲硫層所呈形貌為菊花狀的細小顆粒，且顆粒之間呈疏松堆積，形成多孔結構，大量細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層SEM圖

3 鐵基粉末冶金材料表面滲硫配方及工藝優化

3.1 滲硫液配方優化

為了提高鐵基粉末冶金材料表面滲硫層的質量，提升其摩擦性能，本文在初始滲硫液配方的基礎上，采用對比實驗法對滲硫液配方進行優化設計。具體做法是將五種滲硫劑中的四種的濃度值及其它試驗因素保持不變，依次只對其中一種滲硫劑的濃度值做調整，并對配方調整后生成的滲硫層的摩擦性能進行檢測，通過對各種濃度值下的摩擦性能進行對比分析，確定最優的滲硫劑濃度值，依此類推，最終獲得最優的滲硫液配方。

經過以上的對比實驗，最終得到滲硫液的優化配方為：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 滲硫工藝參數優化

在得到最優滲硫液配方的基礎上，繼續采用對比實驗法，對影響鐵基粉末冶金材料表面滲硫層摩擦性能的工藝因素進行優化。具體做法是針對滲硫前的機械打磨光潔度和酸洗活化時間、滲硫過程中的滲硫溫度、滲硫時間等四項工藝參數，保持其中三項不變，調整其中一項，然后對獲得的滲硫層質量、性能等參數進行對比分析，確定該工藝參數的最佳值，依次類推，最終獲得最優的工藝參數值。本文經過多次實驗，得到最佳的工藝參數為：在機械打磨工序選用目數為640的砂紙對試樣進行打磨拋光、在酸化活化工序選擇時間為90s、在滲硫處理工序選擇滲硫時間為3h、滲硫溫度為50℃時，獲得的滲硫層質量和摩擦性能相對最佳。

4 結束語

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介紹的基礎上，通過對比實驗方法，對滲硫液配方和滲硫工藝參數進行了優化，獲得了最佳的滲硫液配方和最優的工藝參數組合。研究表明：滲硫液配方和主要工藝參數對滲硫層的摩擦性能有著重要的影響，采用優化的滲硫液配方和工藝參數對鐵基粉末冶金材料進行低溫化學滲硫處理，能夠在其表面形成摩擦耐磨效果較好的滲硫層。

在與潤滑油協同作用下，該滲硫層能發揮較好的液固協同潤滑作用，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，當所加載荷在2400N定載以下時，該滲硫層能發揮較好的減摩耐磨效果，在小于2400N的逐級加載條件下，對滲硫層的減摩耐磨效果影響較小，但不管是定載荷還是動載荷，當所加載荷超過3200N時，滲硫層摩擦系數會發生較大的波動，且很快發生嚴重的磨損；另外，適當的增加試樣的摩擦速度會有助于在滲硫層表面形成一層潤滑油膜，能夠有效提高滲硫層的減摩耐磨性能，但太快的運轉速度下，一旦潤滑油膜被破壞，滲硫層就會快速磨損。

由此可知，對鐵基粉末冶金材料進行低溫化學表面滲硫處理，能夠獲得具有較好減摩耐磨效果的滲硫層，且該滲硫層能夠應對一定高溫、高速、大載荷工況，在一定程度上能夠滿足工業技術發展的需求。同時，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用范圍都會起到較好的推動作用。