齒輪低溫離子滲硫表面處理工藝技術(shù)研究

祝國(guó)榮，賈陽光，鄔曉穎，李宏偉，李 順，閆曉紅，王 森，孫憲俊

(1.北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072；2.中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

隨著特種車輛向“六化、七高”(即：機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化、信息化、輕量化、小型化；高速度、高精度、高突防、高毀傷、高可靠性、高生存能力、高環(huán)境適應(yīng)性)方向發(fā)展，對(duì)傳動(dòng)裝置的服役壽命、可靠性提出了更高的要求。傳動(dòng)裝置作為特種車輛的核心部件之一，集直線變速與無極轉(zhuǎn)向功能于一體的復(fù)雜機(jī)械設(shè)備，大修期以傳動(dòng)裝置壽命為依據(jù)，其磨損失效極大地制約了特種車輛的服役壽命。因此，提高傳動(dòng)裝置的摩擦磨損指標(biāo)，對(duì)延長(zhǎng)車輛壽命和提高車輛行駛的可靠性具有深遠(yuǎn)意義。

滲硫技術(shù)始于20世紀(jì)40年代，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套和活塞環(huán)表面形成幾微米厚的硫化物膜，可大大減小摩擦副表面的擦傷[1]。50年代法國(guó)出現(xiàn)了氰化物鹽浴滲硫法(Sulfinuz法)，可在零件表面形成0.3 mm富硫?qū)?。?0年代，法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、美國(guó)、日本等20多個(gè)國(guó)家都采用硫氰共滲法處理零件，效果十分顯著，經(jīng)處理過的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)磨損減少94%，缸套磨損減少80%，滲硫鋼鐵件甚至可以代替一些機(jī)械中的青銅件[2]。針對(duì)硫氰共滲法污染嚴(yán)重的缺點(diǎn)，70年代法國(guó)液力機(jī)械研究所成功開發(fā)出低溫電解滲硫技術(shù)(鹽浴中仍然含有毒物質(zhì)，但由于處理溫度低，氰鹽蒸發(fā)量較少，危害較小)制備FeS薄膜，在隨后的十幾年中，電解滲硫是主要的制備工藝，許多研究人員研究了采用該技術(shù)制備的FeS薄膜摩擦磨損性能[3-4]。

針對(duì)服役環(huán)境復(fù)雜化對(duì)傳動(dòng)裝置的摩擦磨損性能不斷提高，加之環(huán)保要求對(duì)滲硫工藝的環(huán)保性能愈發(fā)苛刻，亟需進(jìn)一步研究滲硫工藝的理論和方法，開發(fā)出綠色表面自潤(rùn)滑滲硫技術(shù)。本文通過低溫離子滲硫工藝技術(shù)研究，探討3組滲硫工藝參數(shù)對(duì)滲硫效果的影響、硫化層自潤(rùn)滑作用等方面，為零件獲得最優(yōu)的滲硫?qū)由罴敖M織結(jié)構(gòu)，達(dá)到最佳自潤(rùn)滑的效果奠定基礎(chǔ)。同時(shí)低溫離子滲硫技術(shù)研究，克服了傳統(tǒng)滲硫方法(電解滲硫、鹽浴滲硫)導(dǎo)致的環(huán)境污染，對(duì)推動(dòng)綠色環(huán)保滲硫技術(shù)發(fā)展、提升特種車輛的力學(xué)性能、延長(zhǎng)車輛壽命具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文以特種車輛的左、右半軸齒輪為試驗(yàn)對(duì)象，材料為20Cr2Ni4A，樣品尺寸為φ28 mm×20 mm，熱處理狀態(tài)為滲碳+淬火+低溫回火，表1為20Cr2Ni4A齒輪樣品成分檢測(cè)結(jié)果。低溫離子滲硫設(shè)備示意圖如圖1所示[5]，滲硫樣品先用600號(hào)砂紙打磨去除表面的氧化物，再用無水酒精淋洗，晾干后裝爐，抽真空不高于10 Pa，向爐內(nèi)通入H2S、H2、Ar滲硫氣氛，保持真空不高于50 Pa；然后，調(diào)節(jié)電壓至產(chǎn)生輝光效應(yīng)，溫度升到預(yù)定滲硫溫度，開始保溫計(jì)時(shí)；最后，保溫至預(yù)定保溫時(shí)間，切斷脈沖電源并停止供氣，待溫度降至60 ℃以下，出爐浸油。滲硫溫度是影響滲硫速度、表面化合物層相結(jié)構(gòu)、滲層厚度和工件變形的重要工藝參數(shù)，對(duì)滲硫工件表面形成FeS固體潤(rùn)滑層影響很大，溫度較低，滲硫?qū)踊緳z測(cè)不到硫化物相，溫度過高，形成不具有潤(rùn)滑作用的其他硫化物相(如Fe2S等)。保溫時(shí)間對(duì)滲硫?qū)雍穸燃氨砻媪驖舛鹊挠绊戄^明顯，滲硫過程保溫時(shí)間的選擇主要根據(jù)滲硫工件對(duì)滲層深度的要求來定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，滲硫處理后齒輪的滲硫?qū)由钸_(dá)到5～10 μm，表面含硫量達(dá)到15%～20%，需要滲硫溫度保持在180 ℃以上，保溫時(shí)間2～4 h以上。滲硫工藝參數(shù)見表2。

圖1 低溫離子滲硫設(shè)備示意圖

表1 20Cr2Ni4A齒輪的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 滲硫工藝參數(shù)

在銷錐磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，樣品取自滲硫樣品和未滲硫樣品的表面、心部，尺寸為φ25 mm×3 mm，樣品被固定在由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)支架上，與載荷臂上的耐磨球進(jìn)行相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)，摩擦磨損試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)見表3。質(zhì)量磨耗損失是以表面和心部樣品測(cè)量的平均值來表征，銷錐磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。顯微組織是利用Nikon ECLIPSE MA200型號(hào)光學(xué)顯微鏡(OM)、FEI SIRION 200型掃描電子顯微鏡(SEM)和JEM 2100透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行觀察，檢測(cè)滲硫?qū)由疃燃靶蚊?，并利用線掃描(EDS)能譜對(duì)滲硫?qū)?、過渡區(qū)及基體的元素分布進(jìn)行掃描，以及用點(diǎn)掃描分析表面硫元素含量。

表3 摩擦磨損試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)

圖2 銷錐磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 工藝試驗(yàn)分析

圖3所示為1#～3#樣品在加速電壓為20 kV、工作距離為10 m、放大倍數(shù)為2 000 X下的顯微形貌圖，可以看出，滲硫?qū)?、過渡層和基體具有不同的襯度，1#樣品整體滲硫?qū)由?5 μm，滲硫?qū)訌谋砻嬷粱w存在較薄的過渡層，導(dǎo)致滲硫?qū)优c基體容易脫落；2#樣品滲硫?qū)雍穸燃s為8 μm；3#樣品滲硫?qū)雍穸确浅２痪鶆?，最薄處? μm，最厚處達(dá)到約20 μm。

a)1#樣品

b)2#樣品

c)3#樣品圖3 1#～3#樣品滲硫?qū)拥男蚊矆D

圖4所示為滲硫樣品的滲硫?qū)?、過渡層和基體進(jìn)行線掃描EDS能譜表征，過渡層均有富Cr元素和C元素。滲硫過程中，由于硫元素的占位作用，使Cr元素發(fā)生遷移，形成富Cr層硬度較高，最后對(duì)滲硫?qū)颖砻孢M(jìn)一步進(jìn)行點(diǎn)掃描，可知最外層硫含量(見表4)。

a)1#樣品

b)2#樣品

c)3#樣品圖4 1#～3#樣品滲硫?qū)拥脑胤植?/p>

表4 滲硫?qū)由詈捅砻婧蛄?/p>

綜上所述，從工藝試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可以初步判斷，2#、3#樣品結(jié)果均滿足技術(shù)要求，滲硫?qū)由?～10 μm，表面含硫量達(dá)到15%～20%，從均勻性上看，2#樣品優(yōu)于3#樣品。

2.2 摩擦磨損試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證滲硫?qū)拥臐?rùn)滑作用，選擇2#樣品與未滲硫樣品做摩擦磨損對(duì)比試驗(yàn)。圖5所示為2#樣品和未滲硫樣品在不同磨損時(shí)間下的磨耗質(zhì)量，可以看出，未滲硫樣品的磨損規(guī)律與滲硫樣品相近，但磨耗量遠(yuǎn)高于滲硫樣品。在摩擦磨損過程中，0～3 h，滲硫樣品磨耗相對(duì)較低，滲硫樣品磨耗約為未滲硫樣品的1/2，推測(cè)為滲硫?qū)拥拇嬖谑沟每鼓p性能得到提高；3 h后，樣品磨損均增快，磨損不斷加快，存在加速磨耗區(qū)間，如滲硫樣品磨耗從8 mg增至34 mg，推測(cè)隨著磨損時(shí)間的增加，滲硫?qū)用撀浠虮荒胨椋瑹o法發(fā)揮出潤(rùn)滑的作用。

圖5 2#樣品和未滲硫樣品在不同磨損時(shí)間下的磨耗質(zhì)量

圖6所示為2#樣品和未滲硫樣品磨損過程中的摩擦因數(shù)及摩擦力，可以看出，滲硫樣品摩擦因數(shù)均保持在0.3以下，未滲硫樣品的穩(wěn)定摩擦因數(shù)較高，約為0.32。在摩擦試驗(yàn)過程中，采用恒定載荷即等壓力作用，故摩擦力與摩擦因數(shù)呈相關(guān)，摩擦力與摩擦因數(shù)變化規(guī)律相同。

a)2#樣品

b)未滲硫樣品圖6 2#樣品和未滲硫樣品磨損過程中的摩擦因數(shù)及摩擦力

圖7所示為2#樣品和未滲硫樣品分別在干磨3、6和9 h后的組織形貌。從圖7a可以看出，樣品表面存在滲硫所導(dǎo)致的小孔和較多長(zhǎng)且細(xì)的溝槽，說明3 h后滲硫?qū)尤晕赐耆茐?，樣品失效以犁痕為主，此時(shí)的摩擦因數(shù)較小；從圖7b可以看出，樣品表面局部存在大量深且寬的溝槽，溝槽內(nèi)存在著剪切唇碎塊和硫化層碎渣，硫化層碎渣在摩擦磨損過程中可起到部分潤(rùn)滑作用，說明6 h后樣品表面失效以金屬破壞為主，耐磨基體內(nèi)仍存在少量硫化物，基體基本破壞，使得摩擦因數(shù)升高，磨耗量增大；從圖7c可以看出，樣品表面存在大量深且寬的溝槽，溝槽內(nèi)存在大量孔洞和金屬破壞后的剪切唇形貌，基體內(nèi)出現(xiàn)大量長(zhǎng)且深的Z型裂紋，裂紋沿著摩擦磨損方向在犁痕間進(jìn)行擴(kuò)展，說明9 h后失效模式完全轉(zhuǎn)化為金屬間摩擦磨損失效方式，基體金屬完全破壞，摩擦因數(shù)增大，磨耗量增大，滲硫?qū)訚?rùn)滑作用消失[6]。從圖7d～圖7f可以看出，3種樣品表面均存在大量犁痕，發(fā)現(xiàn)犁痕內(nèi)部均存在大量魚鱗狀切削，6 h后可以在鱗狀切削和犁痕內(nèi)能清楚地觀察到微裂隙，說明6 h后失效模式為金屬間摩擦磨損失效方式，基體金屬完全破壞，摩擦因數(shù)很大，磨耗量很大。

a)2#樣品干磨3 h

b)2#樣品干磨6 h

c)2#樣品干磨9 h

d)未滲硫樣品干磨3 h

e)未滲硫樣品干磨6 h

f)未滲硫樣品干磨9 h圖7 2#樣品和未滲硫樣品分別在干磨3、6和9 h后的顯微組織形貌

2.3 摩擦磨損機(jī)理研究

由Fe-S相圖可知，S幾乎不溶于α-Fe和γ-Fe，而只是與鐵形成化合物FeS和FeS2。由于硫原子半徑(rS=0.102 nm)大于碳(rC=0.077 nm)、氮(rN=0.075 nm)，并且硫的最外層電子數(shù)為6，多于硼、碳和氮，因此，硫在鐵中的擴(kuò)散速度也非常小，其滲層很薄，一般為幾個(gè)至幾十個(gè)微米。但是滲硫?qū)优c基體金屬之間呈鋸齒交錯(cuò)狀接觸，結(jié)合緊密，耐久性好[7]。

摩擦磨損完成后，切取摩擦磨損次表層樣品，制作透射樣品并在TEM下進(jìn)行檢測(cè)分析，對(duì)摩擦磨損機(jī)理進(jìn)行分析。圖8所示為2#樣品滲硫后的顯微組織形貌，可以看出，滲硫后，基體組織發(fā)生明顯變化，由外及里存在組織分層結(jié)構(gòu)：表面為均勻滲碳層，滲硫?qū)覺RD物相分析結(jié)果顯示，其主要物相為S單質(zhì)+FeS+FeS2等組織；次表層組織已充分回火，其基體組織為回火馬氏體(回火索氏體組織)，由于滲硫過程對(duì)樣品進(jìn)行了長(zhǎng)期中溫保溫，存在晶界氧化現(xiàn)象，造成組織較為疏松；由于S元素占位等因素使得各元素存在偏析現(xiàn)象，滲硫后樣品微觀組織存在帶狀分布現(xiàn)象；到達(dá)一定深度后，微觀組織不存在變化，與未滲硫組織相同(馬氏體+鐵素體+少量析出碳化物)。從圖8b可以看出組織中存在的板條馬氏體及其衍射斑點(diǎn)。板條馬氏體為過飽和碳存在于鐵素體當(dāng)中，其結(jié)構(gòu)為BCC結(jié)構(gòu)，較之碳化物和奧氏體等結(jié)構(gòu)，更易與S元素結(jié)合，形成FeS類滲層[8-9]。

a)SEM圖像

b)TEM圖像圖8 2#樣品滲硫后的SEM表征和TEM表征

圖9所示為2#摩擦磨損試驗(yàn)9 h后位錯(cuò)型板條馬氏體的明暗場(chǎng)像及衍射花樣，在明場(chǎng)像中可清晰觀測(cè)到大量位錯(cuò)，沿一定方向纏結(jié)。由于構(gòu)成滲硫?qū)又黧w的FeS相(hcp結(jié)構(gòu))呈鱗片狀多孔形態(tài)分布，其硬度較低，變形阻力小，在摩擦磨損高應(yīng)力作用下，位錯(cuò)在基體中大量形成并形成纏繞，易沿著某一位向滑移，對(duì)金屬之間的接觸起到潤(rùn)滑作用[10]。

a)板條馬氏體的明暗場(chǎng)像

b)板條馬氏體的衍射花樣圖9 2#樣品的馬氏體形貌

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)左、右半軸采用在200～240 ℃保溫4～6 h的低溫滲硫工藝，隨著滲硫溫度的升高，保溫時(shí)間延長(zhǎng)，滲硫?qū)由詈捅砻婧蛄烤鶗?huì)增加，考慮到滲層均勻性、與基體的結(jié)合情況以及生產(chǎn)效率等諸多因素，優(yōu)選了滲硫溫度240 ℃、保溫時(shí)間4 h為理想的低溫滲硫工藝。

2)在摩擦試驗(yàn)過程中，滲硫試件和未滲硫試件在無潤(rùn)滑劑條件下，分別進(jìn)行3、6和9 h干磨，滲硫試件摩擦磨損狀態(tài)優(yōu)于未滲硫試件，滲硫樣品摩擦因數(shù)均保持在0.3以下，未滲硫樣品的穩(wěn)定摩擦因數(shù)較高，約為0.32。

3)滲硫過程中，由于S的占位，使Cr和C元素發(fā)生遷移，形成富Cr層硬度較高，且滲硫?qū)邮杷啥嗫祝史涓C狀，隔斷金屬間直接接觸，摩擦因數(shù)較小，保持潤(rùn)滑狀態(tài)。此外，由于構(gòu)成滲硫?qū)又黧w的FeS相(hcp結(jié)構(gòu))沿著某一位向滑移，在摩擦磨損高應(yīng)力作用下，位錯(cuò)在基體中大量形成并形成纏繞，易對(duì)金屬之間的接觸起到潤(rùn)滑作用。