■ 劉靜 楊朝陽 張立 孫黎 吳雨橋 周佳 茄菊紅 吳曉偉/中國(guó)航發(fā)西控

金屬表面滲錫強(qiáng)化技術(shù)是將金屬元素通過“鍍覆+熱擴(kuò)散”的方法滲入到金屬基體中，以有效地提高金屬表面硬度和耐磨性，且易光亮加工，具有良好的減摩效果和防卡滯性能。

中國(guó)航發(fā)西控在研制一款新型高壓柱塞泵時(shí)，參照相關(guān)設(shè)計(jì)資料，須對(duì)多項(xiàng)零件進(jìn)行表面鍍錫（Delsun）處理，要求厚度≥10μm，硬度≥600HV。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)沒有開展過研究，且文獻(xiàn)資料中對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的報(bào)道也是少之又少。因此，開展金屬表面滲錫強(qiáng)化技術(shù)研究，揭示耐磨滲層形成機(jī)理，探討該技術(shù)在工程方面的合理應(yīng)用，成為技術(shù)發(fā)展和儲(chǔ)備的迫切任務(wù)。

金屬表面滲錫強(qiáng)化原理

錫鍍層雖然很早就被用作減摩材料，但實(shí)踐證明其耐磨性能差，而通過熱冶金的方法可以獲得不同的多相合金，能較好地改善其耐磨性能，使得多相的錫基合金在減摩軸承獲得了一定的工程應(yīng)用。但由于熱法冶金可以獲得的多相合金的組成有限，加上多相錫基合金制備上的困難，至今所使用的減摩錫基合金的種類及其性能還遠(yuǎn)不盡人意。而鍍錫（電鍍或熱浸鍍）之后，熱擴(kuò)散過程中利用升溫達(dá)到錫熔點(diǎn)，錫層處于熔融狀態(tài)，能量起伏較大，空位濃度增加，銅、鐵等基體材料經(jīng)短時(shí)熔解后即開始向錫層擴(kuò)散，在擴(kuò)散溫度下生成多相化合物，可獲得耐磨、減摩改性表面強(qiáng)化層。硬質(zhì)相增加了表面硬度，增強(qiáng)了表面承載能力，抑制了摩擦表面之間的黏著及燒傷而引起的“金屬轉(zhuǎn)移”。多相之間以牢固的冶金結(jié)合，有利于承受高的疲勞應(yīng)力，緩解疲勞磨損。

圖1 Cu-Sn二元平衡相圖

中國(guó)航發(fā)西控的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在對(duì)銅合金、鋼材開展?jié)B錫擴(kuò)散強(qiáng)化處理研究時(shí)，獲得多相耐磨表面組織結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)?，從基材主元素與錫（Sn）元素的相圖（如圖1所示）分析，銅（Cu）、鐵（Fe）與錫（Sn）能形成多種硬質(zhì)化合物相，且Sn自身的化學(xué)活性大，對(duì)于擴(kuò)散過程十分有利。

金屬表面滲錫強(qiáng)化研究過程

在搞清楚金屬表面滲錫強(qiáng)化的原理之后，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開展了金屬表面滲錫強(qiáng)化的過程研究。

圖2 工藝流程

第一步，設(shè)定工藝流程，如圖2所示。

第二步，活化處理。考慮鋼鐵試樣鍍錫后，在保護(hù)下加熱擴(kuò)散退火時(shí)錫層處于過熱熔融狀態(tài)，為保證其能均勻附著在基體上不致流淌聚集，良好的活化處理十分重要，故借鑒了錫鋼板生產(chǎn)的活化處理方式。

第三步，鍍錫。鍍錫工藝可分為熱鍍和電鍍兩種工藝方法。考慮熱浸鍍獲得的鍍層較厚，熱浸中的反應(yīng)使得界面不像電鍍那般清晰，因此，在研究中直接選用成熟的堿性電鍍工藝。

第四步，擴(kuò)散處理。試樣采用炭粉或氮?dú)獗Ｗo(hù)，避免加熱保溫時(shí)錫被氧化。試驗(yàn)用井式電阻爐進(jìn)行擴(kuò)散退火處理。加熱溫度控制低于基材回火溫度，以避免過高溫度損傷基體材料本身的組織性能。擴(kuò)散處理后試樣冷卻方式可采用隨爐冷卻或自爐中取出后在保護(hù)氣氛中緩冷。

第五步，合金鋼表面鍍錫擴(kuò)散。即通過工藝參數(shù)調(diào)整和改性層性能測(cè)試與分析，不斷完善和優(yōu)化工藝技術(shù)方法，同時(shí)通過單因素對(duì)比揭示各參量影響規(guī)律。

第六步，銅合金表面鍍錫擴(kuò)散。通過工藝參數(shù)調(diào)整和改性層性能測(cè)試與分析，不斷完善和優(yōu)化工藝技術(shù)方法，同時(shí)通過單因素對(duì)比揭示各參量影響規(guī)律。

金屬表面滲錫強(qiáng)化層評(píng)價(jià)及機(jī)制分析

組織結(jié)構(gòu)與成分分布的分析

借助金相顯微鏡對(duì)經(jīng)過化學(xué)浸蝕的試樣剖面進(jìn)行光學(xué)顯微（OM）分析；利用X射線衍射儀來分析滲鍍層物相組成；滲層表面形貌及形態(tài)結(jié)構(gòu)采用掃描電鏡進(jìn)行觀察；用輝光放電光譜分析儀分析滲鍍層中的元素沿層深分布。

顯微硬度測(cè)試

用顯微硬度計(jì)對(duì)表面多點(diǎn)平行測(cè)定，求出平均值；對(duì)于剖面則采用逐次沿深度向內(nèi)測(cè)試的方法，測(cè)試硬度沿層深的變化規(guī)律。

韌性評(píng)價(jià)

有選擇地采用靜態(tài)壓入及小能量疲勞試驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

摩擦磨損行為表征

干摩擦磨損研究在球-盤（或栓）摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；采用掃描電子顯微鏡（SEM）方法觀察磨損形態(tài)特征，并結(jié)合試驗(yàn)機(jī)自帶的摩擦因數(shù)的測(cè)定結(jié)果等綜合評(píng)價(jià)改性層的耐磨性能，分析磨損機(jī)制情況，以評(píng)價(jià)所試驗(yàn)的材料表面的耐磨損性能。

力學(xué)性能影響評(píng)價(jià)

在改性強(qiáng)化處理后，對(duì)于試樣的靜態(tài)拉伸性能影響可通過拉伸試驗(yàn)機(jī)，依照GB13239—2006測(cè)試基材及改性處理試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、延伸率和斷面收縮率參量的對(duì)比進(jìn)行評(píng)價(jià)；常規(guī)疲勞試驗(yàn)在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；疲勞斷口的形貌特征采用掃描電鏡觀察分析評(píng)價(jià)表面處理對(duì)材料常規(guī)疲勞性能的影響。

金屬表面滲錫強(qiáng)化實(shí)施情況

本項(xiàng)目已取得階段性的成果，已成功研究出銅及銅合金表面滲錫強(qiáng)化的工藝方法，已應(yīng)用推廣到6型產(chǎn)品中，并摸索出常見合金鋼的滲錫強(qiáng)化工藝參數(shù)。

2011— 2013年，通過120多組工藝試驗(yàn)，研究出銅及銅合金表面滲錫強(qiáng)化的工藝方法，并與樣件進(jìn)行性能對(duì)比：

● 擴(kuò)散層的厚度和硬度均明顯比樣件的高，見表1。

● 對(duì)膜層進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)與成分分布的分析。擴(kuò)散過渡層中間夾有富錫層，錫含量49%，擴(kuò)散層金相組織中的富錫相整體呈均勻分布，與樣件的組織基本相當(dāng)，錫含量有輕微差異（樣件的錫含量為40%），不同放大倍數(shù)下的試驗(yàn)件滲層形貌如圖3所示，可以看出滲層比較均勻。

表1 自制試生產(chǎn)件與樣件的對(duì)比

圖3 滲層樣件形貌圖

圖4 鍍錫熱擴(kuò)散改性層硬度及錫含量分布曲線

● 由表及里的硬度分布結(jié)構(gòu)賦予改性層優(yōu)異的耐磨耐久性，如圖4所示。a層為微米級(jí)的極薄層，起著耐燒傷作用，另外，在摩擦過程中，它也有好的順應(yīng)性和對(duì)異物的嵌藏性；b層直接處在具有耐燒傷性層下面，作為連接塑性外層與硬化層之間的平緩過渡是非常理想的； c層硬度更高，在高負(fù)載下也不塑性變形，構(gòu)成硬化層，工件可因此使得耐疲勞性、抗咬合性及承載能力得到提高； d層在硬化層下面，由錫滲入基體擴(kuò)散形成對(duì)母材的塑性變形，有充分的延展性，對(duì)防止鍍層崩落十分有益。

● 摩擦磨損行為表征。用試件在耐磨損試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

金屬表面滲錫強(qiáng)化應(yīng)用及推廣效果

本項(xiàng)目已取得顯著的、階段性的成果。

研究出的銅及銅合金表面滲錫強(qiáng)化的工藝方法，將銅合金的表面硬度提高到≥650HV，擴(kuò)散膜層厚度≥10μm，該膜層有較高的硬度、耐磨損性能和韌性，且對(duì)基體零件的力學(xué)性能影響較小，而且延續(xù)銅及銅合金的很多良好性能（導(dǎo)熱性、減摩、防卡滯、易光亮加工等），大大擴(kuò)展了銅及銅合金的應(yīng)用領(lǐng)域。該工藝方法生成的膜層是錫與基體銅結(jié)合生成另一種相組織，不像電鍍、噴涂等工藝方法存在膜層與基體的結(jié)合力問題，所以在很多領(lǐng)域能夠代替電鍍層的應(yīng)用。該工藝已推廣應(yīng)用于中國(guó)航發(fā)西控的6型產(chǎn)品零件的批量加工，工藝穩(wěn)定。銅及銅合金表面滲錫強(qiáng)化技術(shù)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，專利名稱：《一種用于強(qiáng)化銅及銅合金表面硬度和耐磨性的工藝方法》，專利號(hào)：ZL 2011 1 0366936.2。

表2 自制試生產(chǎn)件與樣件的摩擦性能對(duì)比（摩擦速度0.1m/s）

研究出的常用摩擦副鋼件38CrMoAl及2Cr3WMoV的滲錫強(qiáng)化工藝參數(shù)，能夠?qū)摷砻嬗捕忍岣叩健?00HV，擴(kuò)散膜層厚度≥30μm，由于滲錫強(qiáng)化層表面的富錫層，滲錫強(qiáng)化層不但有良好的耐磨性能，而且有減摩作用，滲錫強(qiáng)化層比常用的滲氮層的性能更優(yōu)。

結(jié)束語

金屬表面滲錫強(qiáng)化技術(shù)首次將金屬元素通過“鍍覆+熱擴(kuò)散”的方法滲入到金屬制件基體中，可以使金屬表面達(dá)到高硬度、高耐磨的性能，具有良好的減摩效果和防卡滯性能，而且易光亮加工。該技術(shù)的突破對(duì)多型有延壽和適應(yīng)新環(huán)境要求的產(chǎn)品有非常重要的意義，使用和推廣具有很高的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效益。