GCr15軸承鋼表面NbC滲層的耐磨與耐蝕性研究

宗曉明,張亞楠,楊尚矗

(中航光電科技股份有限公司,河南 洛陽 471003)

表面處理技術是增強零件耐磨損或耐蝕性能的最常用方法之一。金屬基體表面硬質滲層可通過物理氣相沉積、化學氣相沉積、離子濺射等多種方式獲得,成本一般較高[1-4]。熱反應擴散(TRD)技術是一種成本較低的滲層技術,一般通過固態滲或鹽浴的方式進行[5-7]。在TRD處理過程中,基體中的C或N元素向表面擴散,與滲劑中的碳化物或氮化物形成元素(如V、Nb、Ti、Ta、Cr層)反應,在基體表面形成致密的滲層,該滲層一般具有較高的硬度,并且與基體間結合力良好,具有較好的應用前景。

碳化鈮(NbC)滲層可通過鹽浴工藝獲得,該滲層是由基體中的C與鹽浴中溶解的Nb直接結合形成的。除了高硬度外,NbC還具有高的韌性和剛度、極高的熔化溫度(3873 ℃)和化學穩定性[5-9]。

以往關于熱反應擴散滲層的研究大多集中在力學、磨損及生長動力學方面,對其電化學性能的研究較少。本研究以GCr15軸承鋼為基體材料,在其表面采用TRD鹽浴法制備NbC滲層,并對滲層的摩擦及耐蝕性能進行了研究,為該技術在軸承鋼領域的應用提供借鑒。

1 試驗材料與方法

試驗材料GCr15軸承鋼的化學成分為(質量分數,%):0.95～1.10 C、0.15～0.35 Si、0.25～0.45 Mn、0.03 P、0.025 S、1.35～1.65 Cr、其余為Fe。采用線切割方式加工成20 mm×20 mm×3 mm的試樣,經600目砂紙研磨,并用乙醇清洗后備用。滲鈮處理鹽浴成分為:鈮鐵5%(其中鈮含量為65%,粒徑為150目)、鋁粉3%、四硼酸鈉(Na2B4O7.10H2O)92%。

TRD滲鈮處理在鹽浴坩堝爐中進行。將四硼酸鈉在不銹鋼干鍋中熔融,隨后添加鋁和鈮鐵,其中鋁的作用為還原劑,鈮鐵為滲鈮來源。當溫度達到1000 ℃時,將GCr15軸承鋼試樣放入不銹鋼坩堝中,處理時間達到4 h后,將試樣取出,并直接在油浴中淬火。

通過X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、顯微硬度計、摩擦性能試驗機和腐蝕測試儀對所制備的涂層進行測檢。檢測前,在沸水中清洗樣品,并用細砂紙清理試樣表面的鹽浴黏著物。對樣品表面進行X射線衍射(XRD)分析,掃描角度為30°～100°。采用LEO 440掃描電子顯微鏡對NbC涂層的橫截面進行觀察。摩擦試驗時,采用直徑為25.4 mm的GCr15鋼球作為對磨材料,鋼球硬度約為600 HV,轉速為500 r/min,載荷分別為665、1459和1826 g(6.65、14.59和18.26 N)。對于三種研究荷載,球體壓在NbC試樣上的平均赫茲接觸應力計算為360、470和500 MPa。通過電位極化試驗進行耐蝕性能測試,所用電解液為3.5 % NaCl水溶液,以1 mV/s的掃描速度獲得極化曲線,試樣暴露于鹽溶液的面積約為0.5 cm2。

2 結果與分析

2.1 滲層金相組織和X射線衍射分析

圖1為試樣截面的SEM形貌及沿厚度方向EDS線掃描元素分布情況。由圖1可知,在基體表面形成了連續的滲層,滲層與基體交接面光滑,同時滲層中可看到微小的孔隙。從表面到內部,Fe元素含量上升,Nb元素含量下降,在滲層與基體的交界面出現了突變。采用掃描電鏡自帶刻度對滲層厚度進行了測量,滲層厚度為6 μm,滲層下部為典型的馬氏體組織。圖2為滲層表面的X射線衍射圖譜,滲層表面的相組分為NbC。

圖1 GCr15軸承鋼表面NbC滲層的截面形貌及元素分布情況Fig.1 Cross-section morphology and element distribution of NbC layer on the surface of GCr15 bearing steel

圖2 GCr15軸承鋼表面滲層的X射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction pattern of layer on the surface of GCr15 bearing steel

2.2 磨損性能

圖3(a)、3(b)為GCr15軸承鋼基體及滲Nb處理后,試樣在三種不同載荷條件下磨損體積與摩擦距離的關系。由圖3(a)可知,GCr15軸承鋼基體的磨損量隨外加載荷的增加而增加,并且磨損體積隨摩擦距離的增加而增加,施加載荷越大,磨損越嚴重。由圖3(b)可知,GCr15軸承鋼表面滲Nb處理后,隨外加載荷的增加,磨損體積也增加,但與基體相比,在相同條件下磨損大幅下降。滲Nb處理后,當磨損距離超過420 m時,磨損量大幅上升。圖3(b)中虛線為開始出現滲層磨透的位置,經理論計算,在該位置的磨擦痕跡寬度為 0.787 mm。在三種載荷條件下,雖然滲層磨透的試驗距離不同,但都出現了NbC滲層磨透現象。其中,在18.26 N載荷條件下進行磨損試驗,滲層在短時間內便發生破壞;但在NbC滲層破裂后,滲層仍然保持了良好的耐磨性,直到磨損測試420 m時磨損發生大幅上升為止。這是因為在滲層局部出現磨透后,大部分負載仍由硬質NbC承受,隨著基材暴露在外,磨損逐漸增加。本試驗是在干摩擦條件下采用不同載荷進行試驗的,來自接觸區域的磨屑是造成磨損的主要原因。磨損顆粒在測試過程中附著在球表面上,產生切削作用,由于Nbc滲層具有比基體高得多的硬度,可以有效地減輕磨損。

(a)GCr15軸承鋼基體;(b)滲Nb處理后圖3 不同載荷條件下磨損體積隨摩擦距離的變化(a)GCr15 bearing steel substrate; (b)after Nb infiltration treatmentFig.3 Change of wear volume with friction distance under different loads

圖4為GCr15軸承鋼基體及滲Nb處理后磨損率隨載荷的變化情況。由圖4可知,滲Nb處理后樣品的磨損率大幅下降。根據載荷的不同,磨損率變化范圍為0.9×10-6～1.3×10-6mm3/N·m,與滲Nb處理前的1.2×10-5～1.5×10-5mm3/N·m相比,提升了10倍左右,這是因為在表面形成了高硬度和高耐磨性的NbC滲層。

圖4 滲Nb處理前后磨損率隨載荷的變化Fig.4 Change of wear rate with load before and after Nb infiltration treatment

2.3 耐蝕性能

圖5為GCr15軸承鋼基體及滲Nb處理后電位動力學極化曲線,該曲線包括陰極和陽極區域。由圖5可知,在負(陰極)電位下,兩條曲線很接近;隨著電位上升到正(陽極)電位時,NbC滲層的極化曲線向更高電位移動,耐蝕性得到提升;但當陽極電位升高至大于250 mV時,兩條曲線再次接近。因此,電位低于250 mV時,NbC滲層改善了GCr15軸承鋼的耐蝕性。

圖5 滲Nb處理前后電位動力學極化曲線Fig.5 Potentiodynamic polarisation curves before and after Nb infiltration treatment

3 結論

1)采用鹽浴滲Nb的方法,可以在GCr15表面獲得均勻的NbC滲層。

2)滲層由立方NbC組成,在NbC滲層下方未檢測到明顯的脫碳現象。

3)滲Nb處理后,GCr15軸承鋼的耐磨性大幅提升,磨損量隨載荷的增加而增加,與基體材料相比,耐磨性提升了10倍。

4)耐蝕性試驗結果表明,電位低于 250 mV時,滲Nb處理后GCr15軸承鋼的耐蝕性得到提升。