GCr15 鋼低溫離子滲硫層的減磨性能

郜志文，孫 力， 崔效炎， 郜可坤，李 德， 劉 勇

（1.河南精誠汽車零部件有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000；2.河南省熱處理行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新基地，河南 新鄉(xiāng) 453000）

摩擦磨損是導致軸承材料失效和能量耗損的主要原因，造成巨大的經濟損失[1-3]。減少摩擦磨損對節(jié)能降耗、保護環(huán)境、促進經濟社會持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。提高軸承材料表面硬度是提高耐磨性的主流手段，此外，在軸承材料表面沉積固體潤滑劑也是提高材料耐磨性的有效方法[4-6]。其中表面沉積硫化物自潤滑物質以其優(yōu)異的潤滑減摩性能，在高速鐵路關鍵軸承、航空航天以及風力發(fā)電絕緣軸承中的應用得到廣泛研究[7-8]。

軸承材料表面滲硫后，將產生以具有密排六方結構且疏松多孔的FeS 相為主體的滲硫層，具有變形抗力小、剪切強度低和熔點高等特性[9-10]。在載荷作用下易發(fā)生塑性變形，使得承載面實際接觸面積增大且摩擦因數(shù)降低[11]。FeS 相在摩擦過程中可實現(xiàn)分解破壞和重新合成的動態(tài)平衡，能夠持續(xù)起到潤滑作用[12]。因此，滲硫層表現(xiàn)出十分優(yōu)異的減摩耐磨性能，可顯著提高軸承材料表面抗擦傷、抗咬合的能力，大大延長了機械設備及軸承部件的使用壽命。

本研究以GCr15 鋼為研究對象，首先，對GCr15 鋼表面進行碳氮共滲處理，獲得支撐滲硫層的碳氮共滲層；然后，利用低溫離子滲硫工藝在碳氮共滲層上進行低溫滲硫處理，將軟質硫化物固體潤滑層附著于硬質基底上。采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）分析磨損表面形貌、并利用摩擦磨損試驗機進行摩擦因數(shù)及磨損率測試等，來分析磨損機制。

1 試驗材料與方法

1.1 樣品制備

滲硫用樣品為10 mm×10 mm×3 mm 的GCr15鋼制方形試樣和型號為308、309 的GCr15 鋼制軸承內外套圈。分為三組，第一組為淬火態(tài)；第二組進行碳氮共滲處理；第三組進行碳氮共滲+低溫滲硫處理。GCr15 鋼表面碳氮共滲處理由洛陽軸承研究所有限公司完成，輝光等離子體低溫滲硫采用LDMC-75-AZ 型臥式離子滲硫爐完成，如圖1 所示。其爐膛尺寸為500 mm×500 mm×600 mm，料盤(陰極盤)尺寸為 ?250 mm×12 mm。試樣首先用砂紙打磨并研磨拋光，再使用無水乙醇、丙酮超聲清洗去除油污，最后進行表面碳氮共滲+低溫滲硫復合滲層處理。低溫滲硫處理的滲硫溫度為190 ℃，滲硫時間為2 h，電壓為850～900 V，真空度為50 Pa。

圖1 低溫滲硫設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of low-temperature

1.2 磨痕形貌及摩擦磨損性能測試

采用SEM 對試樣的磨損形貌進行觀察分析。采用摩擦磨損試驗機對試樣的耐磨性能進行測試與分析，如圖2 所示。試樣條件如下：大氣環(huán)境，室溫，對磨材料為?6.3 mm 的GCr15 鋼球，載荷F=30 N、速度v=9 mm/s、沖程s=9 mm、時間t=30 min。試驗完成后，使用表面輪廓儀測量滲層磨痕截面輪廓，計算磨損體積V，利用下式可計算出試樣的體積磨損率：

圖2 UMT-2 摩擦試驗機示意圖Fig.2 Schematic diagram of UMT-2 friction sulfurization equipment testing machine

式中：W為體積磨損率；ΔV為試樣磨損體積；s為沖程；t為摩擦時間；F為載荷。

2 試驗結果及討論

2.1 磨損形貌結果

使用SEM 對上述三組試樣磨損后的磨痕形貌進行觀察，結果如圖3 所示。結果表明，這三組試樣的磨損表面都存在明顯的溝槽，即試樣表面都發(fā)生了明顯的磨粒磨損。圖3(b)為淬火態(tài)GCr15 鋼磨損后形貌的高倍圖，結果表明，本試驗條件下材料磨損表面除了存在平行的溝槽外，還存在明顯的黏著坑，因此，存在黏著磨損機制。圖3(c)和圖3(d)為碳氮共滲處理后的GCr15 鋼磨損形貌，對比發(fā)現(xiàn)，碳氮共滲處理后材料表面的黏著磨損程度明顯減輕。這一結果由碳氮共滲后材料的硬度較高所造成。圖3(e)和圖3(f)為碳氮共滲+低溫滲硫處理后GCr15 鋼的磨損形貌。對比淬火態(tài)GCr15 鋼和碳氮共滲處理后的GCr15 鋼，其磨損程度有所降低，主要原因是，表面以FeS 相為主體的滲硫層顯著降低了材料磨損表面的剪切力，減少了摩擦過程中材料表面產生硬質顆粒的數(shù)量并使硬質顆粒的尺寸減小，使得材料表面刮擦程度明顯降低。此外，滲硫層在摩擦力和摩擦熱綜合作用下，F(xiàn)eS 相發(fā)生分解、脫落及涂抹，在摩擦表面形成自潤滑層，有助于減少材料表面磨損損傷。

圖3 磨損表面形貌SEM 圖Fig.3 SEM images of the wear surfaces

對三種材料磨損后的表面進行三維輪廓形貌分析，如圖4 所示。圖4(a)和圖4(b)的結果表明，淬火態(tài)GCr15 鋼和碳氮共滲GCr15 鋼磨損后三維形貌中都存在明顯的溝槽，且這兩種材料磨損后溝槽深度相當。圖4(c)的結果表明，碳氮共滲+低溫滲硫處理后材料磨損表面的溝槽明顯變淺、變小，但溝槽內存在一些深色坑。這一現(xiàn)象與上述磨損后SEM形貌相一致，即碳氮共滲+低溫滲硫處理的GCr15鋼磨損表面的硫化物自潤滑層可以有效提高材料耐磨性，并存在硫化物顆粒剝落的現(xiàn)象。

圖4 不同滲層處理后的GCr15 鋼的三維磨損形貌圖Fig.4 Three-dimensional wear morphologies of GCr15 steels after different infiltration treatments

2.2 摩擦磨損性能分析

利用摩擦磨損試驗機和三維表面輪廓測定儀分別對GCr15 鋼（對應圖5 和圖6 中GCr15）、碳氮共滲后的 GCr15 鋼（對應圖5 和圖6中GCr15-CN）以及碳氮共滲+190 ℃ 滲硫 2 h 后的 GCr15 鋼（對應圖5 和圖6 中GCr15-CNS）進行摩擦磨損性能評價，測定摩擦因數(shù)曲線和試樣磨損率。結果表明，這三種材料的摩擦因數(shù)相對比較平穩(wěn)，磨損后期，淬火態(tài)GCr15 鋼摩擦因數(shù)稍有波動。對比三種材料的摩擦因數(shù)可知，淬火態(tài)GCr15 鋼的摩擦因數(shù)最高(約為0.45～0.50)，碳氮共滲處理后GCr15 鋼的摩擦因數(shù)次之(約為0.40～0.42)，碳氮共滲+低溫滲硫復合滲層后GCr15 鋼的摩擦因數(shù)最小(約為0.28 左右)。分析可知，碳氮共滲處理后材料表面的硬度提高，不易產生黏著磨損，摩擦因數(shù)相對比較平穩(wěn)。而淬火態(tài)GCr15 鋼的表面硬度較低，摩擦過程中的黏著磨損產生磨屑，引起磨粒磨損并伴隨局部摩擦發(fā)熱，最終產生大量的溝槽和剝落，使得磨損較為嚴重，這也是隨著摩擦的進行，摩擦因數(shù)逐漸產生波動的重要原因。碳氮共滲+低溫滲硫復合滲處理后，材料表面存在明顯的硫化物層，避免了摩擦副之間的直接接觸，同時，具有密排六方結構的FeS 相具有很好的潤滑作用，因此，摩擦因數(shù)相對較低，摩擦之后的磨痕表面相對比較平滑。但由于滲硫處理的均勻性不足，局部表面依然產生了黏著，產生了含有硫化物的碎屑，這也解釋了圖4(c)試樣摩擦表面產生剝落坑的原因。

圖5 不同處理的GCr15 鋼的摩擦因數(shù)測試結果Fig.5 Friction coefficient test results of GCr15 steels after different treatments

圖6 給出了不同滲層處理后材料的體積磨損率結果。圖6 結果表明，淬火態(tài)GCr15 鋼的體積磨損率最高，碳氮共滲處理后GCr15 鋼的體積磨損率稍有降低，碳氮共滲+低溫滲硫復合滲處理后的GCr15 鋼的體積磨損率最低。同理，硬度是影響材料耐磨性的重要因素，碳氮共滲試樣的硬度明顯提高，從而使其耐磨性有所改善。當對試樣進行碳氮共滲+低溫滲硫處理后，試樣表面存在的自潤滑硫化物層在摩擦磨損過程中被碾壓并黏附于對磨件表面或填充于凹陷處，可有效阻礙對偶間的直接接觸，減少其摩擦損傷；另一方面，具有密排六方結構的硫化物層摩擦磨損過程中可明顯減弱對偶間的剪切應力，改善材料表面的磨損，因此，該材料的體積磨損率最低。

圖6 不同處理后的GCr15 鋼的體積磨損率Fig.6 Volume wear rate of GCr15 steel after different treatments

3 結論

（1）碳氮共滲后GCr15 鋼經190 ℃低溫滲硫處理2 h，表面產生滲硫減摩層，表面磨損形貌顯示經過滲硫處理的試樣表面磨損程度明顯降低，表面三維形貌也說明磨損表面的溝槽明顯變淺變小，經過處理的試樣表面存在一些硫化物顆粒的剝落產生的剝落坑。

（2）碳氮共滲+低溫滲硫處理可以有效改善材料表面摩擦性能。經過碳氮共滲+低溫滲硫處理的試樣的摩擦因數(shù)為0.28，并且摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定，相較于GCr15 鋼碳氮共滲試樣，摩擦因數(shù)降低了30%，體積磨損率明顯降低。