可控離子滲入(PIP)處理滲層性能研究

侯 彬，李文明

(1.南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039；2.湖南紅宇智能制造有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600)

近年來，部署在沿海地區(qū)的雷達(dá)天線車發(fā)生了多例活塞桿(表面鍍硬鉻處理)銹蝕、鍍鉻層剝落，導(dǎo)致液壓油缸密封失效而造成滲漏油故障；此外，銷軸(表面QPQ鹽浴復(fù)合處理)也出現(xiàn)了較嚴(yán)重的銹蝕問題，影響了裝備整體外觀形象。基于上述狀況，亟需探求一種新技術(shù)以解決運(yùn)動(dòng)摩擦構(gòu)件的耐磨防腐蝕問題。

可控離子滲入(Programmable Ion Permeation，簡(jiǎn)稱PIP)技術(shù)是一種黑色金屬?gòu)?fù)合表面處理新技術(shù)，其將非金屬元素(C、N、O)和微量金屬元素(Y、La)滲入到零件中，在零件表面形成由金屬氧化物、溶入氧的化合物晶格、金屬碳氮化合物以及氮在鐵中的固溶體組成的可控的多層復(fù)合滲層，從而使零件整體內(nèi)、外表面同時(shí)形成防腐蝕耐磨層。PIP處理過程實(shí)現(xiàn)零排放、綠色環(huán)保。

本文通過相關(guān)應(yīng)用試驗(yàn)，研究了活塞桿、銷軸常用的5種材質(zhì)：45鋼、40Cr、42CrMo、38CrMoAl、17-4PH，經(jīng)PIP處理后的顯微硬度、耐磨性、耐蝕性及油漆附著力等性能，并與硬鉻鍍層、QPQ(Quench-Polish-Quench，氮碳氧復(fù)合處理技術(shù))滲層進(jìn)行了相應(yīng)性能對(duì)比。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)試樣

本試驗(yàn)所用的試樣為活塞桿、銷軸常用的5種牌號(hào)鋼材(45鋼、40Cr、42CrMo、38CrMoAl、17-4PH)經(jīng)過粗、精加工而成的圓柱(φ10～φ60 mm)，表面粗糙度為Ra3.2 μm。油漆附著力試樣 為 長(zhǎng) 方形樣板，尺寸為150 mm×70 mm，厚度為3 mm。

1.2 PIP處理工藝流程

PIP處理在湖南紅宇智能制造有限公司(以下簡(jiǎn)稱紅宇智能)進(jìn)行，工藝流程如圖1所示。

圖1 PIP處理工藝流程

圖1中，清洗工序主要去除零件表面的油污，通常采用中性或弱堿性除油劑；預(yù)熱工序溫度約為350 ℃，預(yù)熱時(shí)間為0.5～1 h；離子滲入工序(滲氮、碳和稀土)溫度為450 ℃，時(shí)間為3 h；離子活化工序(滲氧)溫度為400 ℃，離子穩(wěn)定化工序溫度為180 ℃。

1.3 性能試驗(yàn)方法

1.3.1 顯微硬度

按GB/T 4340.1進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為Buehler顯微硬度計(jì)MicroMet5103，試驗(yàn)力采用0.980 7 N，試驗(yàn)力保持時(shí)間為10～15 s，采用正方形試塊(10 mm×10 mm)作為試樣。

1.3.2 耐磨性能

按GB/T 12444進(jìn)行滑動(dòng)磨損試驗(yàn)，測(cè)試磨損體積和磨損率。試驗(yàn)設(shè)備為Sciland公司的PIN/DISK型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，采用正方形試塊(10 mm×10 mm)作為試樣。

1.3.3 耐蝕性能

按GB/T 10125進(jìn)行800 h中性鹽霧試驗(yàn)和192 h酸性鹽霧試驗(yàn)(鹽溶液pH值為3.0～4.0)，按GJB 150.9A進(jìn)行240 h濕熱試驗(yàn)，試驗(yàn)后按GB/T 6461進(jìn)行保護(hù)等級(jí)(耐蝕性能等級(jí))評(píng)級(jí)。

1.3.4 油漆附著力

按GB/T 9286進(jìn)行漆膜的劃格試驗(yàn)，采用TH06-27通用標(biāo)準(zhǔn)底漆、S06-N-1聚氨酯底漆分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后進(jìn)行附著力評(píng)級(jí)。

2 結(jié)果及討論

2.1 外觀及滲層組織

PIP處理后的成品如圖2所示，自左向右分別為45鋼、17-4PH、40Cr、38CrMoAl和42CrMo。PIP滲層金相組織如圖3所示。

圖2 PIP成品外觀

圖3 PIP滲層金相組織

由圖3可知，5種材料經(jīng)PIP處理后，金屬基體由表及里依次形成氧化物層(Fe3O4)、化合物層(Fe2-3N)和Fe的過飽和固溶體層(固溶元素為C和N元素)；其厚度分別為氧化物層1～3 μm，化合物層30～40 μm，F(xiàn)e的過飽和固溶體層0.2～0.4 mm。

2.2 顯微硬度

3種表面處理工藝(PIP、QPQ、鍍硬鉻，下同)、5種材料的表面顯微硬度測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 顯微硬度測(cè)試結(jié)果

由表1可以看出，5種材料經(jīng)過PIP處理后，除45鋼表面硬度值HV0.1低于800之外，其他4種材料表面硬度值HV0.1均達(dá)到800以上。PIP處理后，表面硬度較QPQ處理有較大提升，與硬鉻鍍層基本處于同等水平。

2.3 耐磨性能

3種表面處理工藝、5種材料的磨損體積、磨損率測(cè)試結(jié)果分別見表2和表3。

表2 磨損體積測(cè)試結(jié)果

表3 磨損率測(cè)試結(jié)果

由表2和表3可以看出，5種材料經(jīng)過PIP處理后，磨損體積較QPQ處理降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，與硬鉻鍍層基本處于同等水平；磨損率較QPQ處理有較明顯降低，與硬鉻鍍層基本處于同等水平。因此，PIP處理后綜合耐磨性能優(yōu)于QPQ處理，與硬鉻鍍層水平相當(dāng)。

2.4 耐蝕性能

3種表面處理工藝、5種材料經(jīng)800 h中性鹽霧試驗(yàn)、240 h濕熱試驗(yàn)、192 h酸性鹽霧試驗(yàn)后，保護(hù)等級(jí)(耐蝕性能等級(jí))見表4～表6。

表4 中性鹽霧試驗(yàn)后保護(hù)等級(jí)(耐蝕性能等級(jí))

表5 濕熱試驗(yàn)后保護(hù)等級(jí)(耐蝕性能等級(jí))

表6 酸性鹽霧(pH=3.5)試驗(yàn)后保護(hù)等級(jí)(耐蝕性能等級(jí))

由表4～表6可以看出，PIP處理的5種材料經(jīng)800 h中性鹽霧試驗(yàn)、240 h濕熱試驗(yàn)、192 h酸性鹽霧試驗(yàn)后，保護(hù)等級(jí)(耐蝕性能等級(jí))均達(dá)到9級(jí)，較QPQ、鍍硬鉻2種處理工藝均有顯著提升，耐蝕性能優(yōu)異。

研究表明[1-2]，PIP、QPQ處理獲得的滲層的耐蝕性能，主要是由滲層的化合物層厚度所決定的。紅宇智能PIP工藝所獲得的化合物層厚度可達(dá)30 μm以上，是常規(guī)QPQ工藝所獲得的化合物層厚度(10～15 μm)的2～3倍，化合物層的主要物相Fe3N具有比基體金屬更好的耐蝕性能；此外，微量稀土元素Y、La和基體Fe形成的過飽和固溶體在一定程度上也提升了耐蝕性能[3]。因此，PIP處理后化合物層厚度的增加對(duì)提高耐蝕性能起到了關(guān)鍵作用，微量稀土元素Y、La的添加對(duì)提高耐蝕性能具有一定的協(xié)同促進(jìn)作用。17-4PH不銹鋼經(jīng)鹽浴氮化后在不改變耐蝕性能的前提下，耐磨性能可大幅提高[4-5]。鹽浴滲氮可顯著提高合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵、不銹鋼等黑色金屬的防腐耐磨性能[6-10]。

硬鉻鍍層經(jīng)中性鹽霧試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)后顯現(xiàn)出較差的耐蝕性能，其保護(hù)等級(jí)顯著低于PIP和QPQ滲層，主要是由鍍層的高孔隙率、較差的致密性等缺陷導(dǎo)致的。

2.5 油漆附著力

經(jīng)PIP處理的5種材料樣板的油漆附著力測(cè)試結(jié)果見表7。

由表7可以看出，對(duì)于經(jīng)PIP處理的5種材料樣板，TH06-27通用標(biāo)準(zhǔn)底漆的附著力優(yōu)于S06-N-1聚氨酯底漆。因此，當(dāng)PIP處理件需涂覆油漆時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用TH06-27通用標(biāo)準(zhǔn)底漆。

表7 PIP樣板的油漆附著力測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

PIP滲層耐磨性能良好，與硬鉻鍍層基本相當(dāng)；耐蝕性能優(yōu)異，較QPQ滲層和硬鉻鍍層均有顯著提升，耐酸性鹽霧性能尤為突出；PIP滲層與TH06-27通用標(biāo)準(zhǔn)底漆的附著力優(yōu)良，配合油漆涂層一起使用可作為高溫、高濕、高鹽霧、長(zhǎng)日照的嚴(yán)酷海洋大氣環(huán)境下(如南海島礁等地域)的長(zhǎng)效防護(hù)層。此外，PIP處理過程零排放、綠色環(huán)保。總之，PIP處理工藝可替代QPQ、電鍍硬鉻等傳統(tǒng)的耐磨防腐蝕處理工藝，具有較廣闊的應(yīng)用前景。