W6Mo5Cr4V2鋼離子滲硫層與液體滲硫層的摩擦磨損性能對比

鄭昭卓，金 虹，王 凡，姜皓苧，馬曉鋒，馬 寧

(1. 空軍裝備部駐北京地區軍事代表局駐北京地區第五軍事代表室，北京 101300；2. 中國航發北京航科發動機控制系統科技有限公司，北京 100220)

金屬滲硫處理能在金屬表面制備硫化亞鐵(FeS)膜層，降低金屬工件表面摩擦因數，達到抗咬合、減磨損的效果。根據工藝方法的不同，可分為液體滲硫、電解滲硫和離子滲硫等[1]。我公司使用的低溫液體滲硫工藝存在環境污染嚴重、對人體有害、手工作業效率低的缺陷，但因設備物料成本低、操作較為簡單，仍在航空工業中使用。目前國內外廣泛使用的金屬滲硫技術是離子滲硫工藝，具有自動化控制、滲硫層梯度均勻、零污染零排放等優勢[2]。相較而言，離子滲硫技術從質量穩定性、環境保護、職業健康方面均優于低溫液體滲硫技術。本文通過多種條件的摩擦磨損性能試驗，對比二者摩擦磨損性能和零件實際運轉狀況的差異，為滲硫工藝的選用提供數據支撐。

1 試驗材料及方法

滲硫試件為硬度62～66 HRC的W6Mo5Cr4V2高速鋼，主要化學成分如表1所示。離子滲硫試件采用真空離子滲硫爐，滲硫氣氛為H2S，流量100 mL/min，真空度30 Pa，在170 ℃下保溫7～12 h，爐冷，所得滲硫層深0.60～0.70 mm；液體滲硫試件采用硫氰酸氨+硫氰酸鉀配置的滲硫液，在坩堝爐中170 ℃保溫50 min，空冷，所得滲硫層深0.02～0.15 mm。

表1 W6Mo5Cr4V2鋼的名義化學成分(質量分數，%)

采用Rtec多功能摩擦磨損試驗機，對兩種工藝制備的滲硫試件進行摩擦磨損試驗，對磨材料為符合GB/T 308—2002《滾動軸承鋼球》的GCr15鋼球，硬度為64～66 HRC，具體試驗參數如表2所示。試驗后利用KEYENCE 3D表面形貌測量儀、EDS能譜分析儀對試件表面磨損形貌和硫元素含量進行測量和分析。

表2 摩擦磨損試驗參數

注：若試驗未達到60 min時，試件摩擦因數不可逆陡增，則終止試驗。

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦因數與壽命

定義“失效”為試件在試驗中摩擦因數不可逆轉地陡增，定義“壽命”為試驗開展至失效所用的時間，若在試驗時長60 min內未失效，則取3600 s為試件壽命。由摩擦磨損試驗得到的離子滲硫層和液體滲硫層摩擦因數和壽命如表3所示。從表3可知，相同試驗條件下，離子滲硫件的摩擦因數小于液體滲硫件，離子滲硫件的壽命與液體滲硫件的壽命處于同一水平或更優。

表3 W6Mo5Cr4V2鋼滲硫層的摩擦因數和壽命

2.2 摩擦形貌

使用3D表面形貌測量設備，在摩擦痕跡中央沿磨痕寬度方向測量磨損面積，該面積的大小可以表征磨損的嚴重程度。由摩擦磨損試驗得到離子滲硫層和液體滲硫層的磨損面積如表4所示，在試驗條件2下離子滲硫試件的磨損面積如圖1所示。由表4可知，在同一試驗條件下，離子滲硫件的磨損面積僅為液體滲硫件磨損面積的7.56%～33.24%。離子滲硫層層深達0.60～0.70 mm，試件在低壓離子滲硫爐內，通入的滲硫氣氛釋放活性S2-離子，在磁場的作用下轟擊工件表面，形成了表面化合物層和內部擴散層，在摩擦磨損后含有硫化亞鐵的擴散層仍能起到抗咬合和減磨損的作用。而液體滲硫層層深為0.02～0.15 mm，在液體滲硫工藝中，硫氰酸銨受熱分解產生活性S2-離子，與工件表面接觸發生化學反應生成硫化亞鐵，受制于工藝方法原理，隨著液體滲硫的進行，滲硫液中的氰化物減少，僅在工件表面聚集形成硫化亞鐵和氧化鐵，層深無法有效增加，其滲層主要由化合物層組成。在表面化合物層破損后就會露出基體，失去抗咬合和減磨損的性能[3]。磨損面積統計結果表明，離子滲硫層的耐磨性優于液體滲硫層。

表4 W6Mo5Cr4V2鋼滲硫層的磨損面積

圖1 在試驗條件2下W6Mo5Cr4V2鋼離子滲硫試件的磨損面積Fig.1 Wear area of the W6Mo5Cr4V2 steel ion sulfurized specimen under test condition 2

2.3 EDS能譜分析

使用EDS能譜分析儀對離子滲硫層和液體滲硫層表面硫元素的質量分數進行分析，結果如表5所示。由表5可知，在摩擦磨損試驗前隨機抽取1件離子滲硫件和1件低溫液體滲硫件，測得其硫元素質量分數分別為5.55%和10.13%。在摩擦磨損試驗后，除試驗條件1下離子滲硫件的硫含量存在異常，不進行比較外，其他試驗條件下離子滲硫層和液體滲硫層表面的硫元素含量均有所減少，符合摩擦磨損試驗的規律[4]。另外，同一試驗條件下，離子滲硫層表面硫元素含量在磨損后的變化小于液體滲硫層，表面剩余滲硫膜更完整，抗磨性能的持續性更佳，這是由于離子滲硫工藝可在試件表面形成由化合物層和擴散層組成的梯度滲硫層[5]，即使發生摩擦磨損，露出的內部擴散層仍有硫化亞鐵存在，表現出更好的抗磨損性能[6]。

表5 摩擦磨損試驗前后試件表面硫元素含量(質量分數，%)

3 運轉考核試驗分析

對離子滲硫和液體滲硫試件進行高低溫運轉試驗和150 h運轉考核試驗，試驗時離子滲硫和液體滲硫試件在全部試驗過程中所處的環境、溫度、摩擦條件完全一致，試驗結果如圖2和圖3所示。由圖2可見，目視檢測離子滲硫件和液體滲硫件外觀時均未見異常磨損，尺寸檢測亦未見明顯變化。

圖2 離子滲硫件和液體滲硫件運轉考核試驗后的外觀Fig.2 Appearance of ion sulfurized specimen and liquid sulfurized specimen after operation test

圖3 離子滲硫件(a)和液體滲硫件(b)運轉考核試驗后的表面形貌Fig.3 Surface morphologies of ion sulfurized specimen(a) and liquid sulfurized specimen(b) after operation test

由圖3可見，采用掃描電鏡觀察離子滲硫件和液體滲硫件高低溫運轉試驗后的表面磨損情況時均未見明顯磨損，仍有灰色斑點狀的硫化亞鐵化合物層保留在產品表面。在150 h運轉考核試驗后離子滲硫件和液體滲硫件表面同樣未見明顯磨損形貌，仍然有滲硫層存在[7]。

4 結論

1) W6Mo5Cr4V2鋼離子滲硫件的摩擦因數小于液體滲硫件，離子滲硫件的壽命與液體滲硫件的壽命處于同一水平或更優。

2) 磨痕表面形貌測量結果顯示，離子滲硫件的磨損面積小于液體滲硫件，說明同一試驗條件下離子滲硫件磨損程度較輕，耐磨性能更優。磨痕表面能譜分析結果顯示，離子滲硫件摩擦磨損試驗前后表面硫元素含量比大于液體滲硫的。說明同樣試驗條件下，離子滲硫件表面剩余滲硫膜更完整，抗磨性能的持續性更佳。因滲硫原理和工藝方法的差異，與液體滲硫工藝相比，離子滲硫工藝可以制備更深的滲硫層，因而也表現出更好的摩擦磨損性能。

3) 離子滲硫件和液體滲硫件在運轉考核試驗后的尺寸無明顯變化，未見異常磨損，掃描電鏡結果顯示試件表面仍有滲硫層存在。