徐獻義，劉金海，李國祿，陳茁（.中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島06600；.河北工業(yè)大學，材料科學與工程學院，天津30030）

DLC及滲硫處理Cr-Mo-V合金灰鑄鐵磨損性能研究

徐獻義1，劉金海2，李國祿2，陳茁2
（1.中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島066001；2.河北工業(yè)大學，材料科學與工程學院，天津300130）

利用MM-200摩擦磨損試驗機，在油潤滑條件下對Cr-Mo-V合金鑄鐵表面滲硫及摻Cr的DLC處理后的磨損性能進行了研究，并比較了兩種處理方式的磨損性能差異。利用掃描電子顯微鏡觀察磨痕寬度和磨損形貌，結果表明:DLC處理優(yōu)于滲硫處理的耐磨性能，說明將DLC技術運用于合金鑄鐵，其減摩耐磨效果更好。

CCr-Mo-V合金；灰鑄鐵；Cr-DLC；離子滲硫；耐磨性

近年來，為了改進不同對偶材料的耐熱膠粘性及抗磨損性等性能，對鋼鐵材料的表面進行低摩擦涂層工藝進行了很多研究[1，2，5]。表面處理工藝主要有化學鍍鎳磷、磷化處理，氮化鉻涂層，滲硫及類金剛石膜（D L C）處理[1]。

國內學者對鋼鐵材料滲硫處理和D L C處理進行了大量研究。滲硫工藝根據所用滲劑的狀態(tài)不同，一般分為液體滲硫、氣體滲硫和固體滲硫。45號鋼、GC r15及高速鋼的滲硫工藝比較成熟。類金剛石薄膜的制作方法有磁控濺射、離子束沉積技術、離子束輔助沉積技術、陰極弧沉積技術、復合沉積技術及等離子體增強化學氣相沉積技術，使用不同方法制備的薄膜的結構、成分和性能等方面也有較大差別。本文對C r-M o-V合金灰鑄鐵材料進行低溫滲硫和摻C r的D L C薄膜處理，在滑動摩擦條件下的耐磨性進行對比研究，并探討該鑄鐵材料的磨損性能。

1 試驗過程

1.1 試樣制備

試驗用C r-M o-V鑄鐵合金的主要成分如表1所示。合金灰鑄鐵材料通過淬火及回火處理，淬火溫度控制在（880±10）℃，回火溫度控制在（350± 10）℃，回火后的硬度控制在H R C55以上。

表1 試樣化學成分（質量分數，%）

經過熱處理后的試樣進行磨削處理后分別進行滲硫和D L C處理。滲硫采用輝光式低溫離子滲硫處理工藝。本文采用的試驗設備為L DM2-25型低溫離子滲硫處理設備（如圖1），處理工藝為：硫蒸氣是固體硫單質經過揮發(fā)后形成，滲硫爐的爐壁一側接陽極，試樣一側接滲硫爐的陰極。設定滲硫爐內的氣壓達到10 P a時，通入一定量的氨氣，在陽極與陰極之間通入600 V的直流高壓電。在高電壓的作用下氨分子電離成了氨離子，并向陰極方向移動，生成了近似于灰白色的黯淡輝光，而后在試樣所在的陰極附近氨離子受到了陰極的壓降作用而被加速，以一定的能量轟擊試樣表面，不斷升高試樣溫度的同時，試樣表面產生大量的晶體缺陷提高了表面活性。轟擊持續(xù)到試樣溫度達到180℃～220℃時停止，保溫2 h～4 h后冷卻至室溫后出爐，試樣需進行浸油保存。

摻C r的D L C處理工藝是通過A S M600DM T G型多功能離子鍍膜機對試樣進行離子鍍膜，設備配置了2套矩形非平衡中頻磁控濺射靶及2個矩形陽極層氣體離子源和3個電弧離子蒸發(fā)源。圖2所示為鍍膜機的橫截面示意圖。

圖1 LDM2-25型低溫離子滲硫處理設備

圖2 ASM600DMTG型多功能離子鍍膜機橫截面示意圖

真空鍍膜主要工藝：使用99.99%的高純氬氣、99.99%的高純氮氣以及99.99%的高純甲烷。試樣置于金屬清洗劑（一般為丙酮）溶液及無水乙醇中進行超聲波清洗，烘干樣品，放置在真空室內，真空度為1×10-2P a，通入高純氬氣使真空度達到5×10-1P a，用陽極離子源激發(fā)的氬離子進行濺射并清洗試樣基體的表面，濺射偏壓逐漸增大，最高時基底的負偏壓可以達到900V以上。鍍膜過程中，首先利用真空陰極電弧鉻靶濺射，沉積鉻粘結層，然后利用陽極層離子源輔助磁控，濺射沉積CrC/CrCxNy/Cr N梯度過渡層，最后在過渡層上沉積摻鉻D L C膜。

1.2 耐磨試驗

兩種處理工藝的試樣摩擦磨損試驗方法：在MM-200磨損試驗機上進行，對偶試樣為經淬火及回火處理后的鉻銅合金鑄鐵圓環(huán)，圓環(huán)硬度H R C45～H R C50.耐磨試樣加工成方塊狀，與對磨圓環(huán)的接觸方式為環(huán)塊式磨損，夾具固定方塊試樣，對摩圓環(huán)在一定轉速下轉動與方塊試樣產生對摩。兩種表面處理的試樣在常溫室內環(huán)境，經過12 h的磨損試驗，加載力為5 kg和30 kg，潤滑方式為浸油潤滑，轉速為400 r p m.試驗方案如圖3所示。

圖3 耐磨試樣與對偶材料圓環(huán)磨損接觸方式示意圖

2 結果與討論

2.1 試樣表面分析

經過滲硫處理后的試樣滲硫層表面厚度2μm～5μm，表面顯微硬度H V0.1730～H V0.1750，而基體顯微硬度H V0.1810～H V0.1850，滲硫后試驗表面的組織疏松多孔，減摩組織硬度低于基體硬度。而經過摻C r的D L C薄膜處理的試樣，表面顯微硬度H V0.1900～H V0.11 280，洛氏硬度達到了HRC60以上，該處理方式顯著提高了試驗表面硬度度及整體硬度。圖4為滲硫試樣表面形貌及EDS、XRD衍射分析結果，表明滲硫處理后，試樣表面生成了FeS組織。圖5為摻雜Cr的DL C處理的試樣形貌及EDS分析結果。檢測到試樣主要元素為碳元素，表面DL C薄膜超耐磨抗磨作用。除碳元素外，其他能夠檢測到的元素以氬及鉻為多，氬元素的存在可能是與D L C薄膜的沉積工藝有關。濺射法是工業(yè)上沉積D L C薄膜最常用的方法。該方法是以惰性氣體（Ar）離子濺射石墨靶產生碳的原子和離子，在基體表面形成DLC膜；較多的鉻元素也可能因為所沉積的DLC薄膜中摻加了鉻元素，而鉻元素的摻入也有助于緩解薄膜的內應力，同時對于薄膜的力學、摩擦磨損以及各種物理化學性能等也有一定的改善作用。

圖4 滲硫試樣表面形貌及EDS、XRD測試結果

圖5 DLC薄膜表面形貌及EDS測試結果

2.2 載荷對磨損性能的影響

兩種處理方式的C r-M o-V合金鑄鐵材料，經過12 h長程磨損，磨損試驗機轉速為400 r p m，試驗加載力分別為5 kg和30 kg.試樣超聲清洗后，使用光學顯微鏡放大觀察并測量磨痕情況，磨痕寬度如表2所示，隨著加載力加大，滲硫處理后試樣的磨痕寬度變化較大，而D L C處理的試樣磨痕變化較小，說明D L C處理后試樣的抗磨性能更好。

表2 試樣5 kg、30 kg載荷12 h磨損后磨痕寬度

圖6為經過D L C處理的試樣5 kg和30 kg載荷作用下的磨損磨痕寬度形貌。在5 kg較小載荷的情況下，D L C處理過的試樣要明顯好于30 kg的情況，不僅整體的磨痕寬度變小，在灰鐵材質D L C試樣上發(fā)現磨痕并沒有貫通整個試樣，出現了磨損接觸面沒有磨損剝落的情況，說明D L C薄膜能夠更好地起到耐磨抗磨的作用，也從側面證明了D L C薄膜與合金鑄鐵材質的基體有著比較理想的結合力，不會出現大面積剝落的情況。從圖7試樣磨損的微觀形貌可以看出，由于摩擦系數小及硬度高的D L C薄膜的保護作用，磨痕上暴露在外的鑄鐵基體表面劃痕及犁溝較多，試樣沒有完全進入所謂穩(wěn)定磨損階段，鑄鐵基體上的硬質相、凸起相，以及剝落的D L C磨屑在摩擦表面相互運動、摩擦，產生了大量的刮痕。除此之外，仍可以在磨痕表面發(fā)現石墨孔洞，石墨孔洞周圍產生了許多微小裂紋，載荷再增加進行磨損試驗，裂紋容易繼續(xù)沿晶間擴展，有可能成為大塊剝落的來源。從圖8可以看出經過D L C處理的磨痕邊緣形貌，在較低的5 kg載荷下，由于載荷較小，切向摩擦力也相應變小，無法產生較大的周期載荷，較難出現D L C薄膜大面積剝落的現象，磨痕邊緣較多發(fā)現的是正常磨損變薄的D L C薄膜。但部分區(qū)域的D L C膜明顯厚于其他位置，30 kg載荷下也沒有發(fā)生D L C薄膜脫落的現象，總體上磨損狀況要明顯優(yōu)于滲硫試樣，在前面的磨痕測量數據上得以驗證。

圖9、圖10為經過滲硫處理的試樣在不同載荷下的磨痕形貌。從圖中可以看出滲硫處理的磨痕中，試樣上面的剝落坑較多，存在較大的剝落坑。圖10表明，隨著載荷增大磨痕寬度增加，由于滲硫薄膜質地軟，在磨痕表面仍能發(fā)現犁溝及刮痕，5 kg試樣上除了石墨孔洞以外僅發(fā)現了少量晶間裂紋，但由于斷續(xù)網狀碳化物的存在，導致裂紋無法繼續(xù)擴展，并不會成為大量磨損狀況產生的源頭，薄膜的磨損表面較平整，破壞情況較輕微。而在30 kg載荷試驗下的磨痕上，在個別位置發(fā)生了片狀剝落現象，且薄膜與基體間存在一定的結合力，當較大載荷產生超過極限的摩擦力時，會在較短的磨損時間內將滲硫薄膜連帶部分基體組織一同帶離試樣表面，但在對摩試樣的其他部位并沒有發(fā)現這種現象，滲硫處理過程需要更加嚴格控制。

圖6 DLC處理的磨痕

圖9 滲硫處理的磨痕

圖7 DLC處理的微觀磨損形貌

圖10 滲硫處理的微觀磨損形貌

圖8 DLC處理的磨痕邊緣形貌

3 結論

1）C r-M o-V合金灰鑄鐵摻C r的D L C處理的耐磨性優(yōu)于低溫離子滲硫處理工藝；

2）隨著磨損載荷的增大，合金鑄鐵的磨損量逐漸增大，D L C處理的薄膜在本實驗載荷下未發(fā)生剝落現象，具有優(yōu)秀的抗磨損性能。而對滲硫工藝，過大載荷的情況下，滲硫層容易剝落，起不到減摩的潤滑效應；

3）滲硫處理合金鑄鐵材料需要在滲硫工藝上嚴格控制，避免滲硫層局部脫落。

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Research on Wear Resistance of Sulphurized and Cr-DLC Cr-Mo-V Gray Cast Iron

XU Xian-yi1，LIU Jin-hai2，LIGuo-lu2，CHEN Zhuo2
（1.CITICDICASTALCO.，LTD.，Qinhuangdao Hebei066011，China；2.School ofMaterials Science and Engineering，HebeiUniversity of Technology，Tianjin 300130，China）

Wear resistance properties of sulphurized and Cr-diamond like carbon（DLC）treated Cr-Mo-V gray cast iron were investigated under the condition of oil lubrication on MM-200 wear tester and compared.The wear width and the wearmorphology were observed by scanning electron microscope（SEM）.The results showed that the wear resistance of DLC treated alloy was better than sulphurized alloy，the Cr-Mo-V gray cast iron obtained better antifriction and antiwear effect after using DLC technique.

Cr-Mo-V alloy，gray cast iron，Cr-DLC，ion sulfurization，wear resistance

TG257

A

1674-6694（2017）03-0041-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.014

2017-02-28

徐獻義（1978-），男，漢族，河北唐山人，碩士，工程師，主要從事鑄鐵及鋁合金鑄造工作。