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(qū)軍事代表局駐北京地區(qū)第五軍事代表室，北京 101300；2. 中國(guó)航發(fā)北京航科發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)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(shù)，達(dá)到抗咬合、減磨損的效果。根據(jù)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(huán)境污染嚴(yán)重、對(duì)人體有害、手工作業(yè)效率低的缺陷，但因設(shè)備物料成本低、操作較為簡(jiǎn)單，仍在航空工業(yè)中使用。目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的金屬滲硫技術(shù)是離子滲硫工藝，具有自動(dòng)化控制、滲硫?qū)犹荻染鶆?、零污染零排放等?yōu)勢(shì)[2]。相較而言，離子滲硫技術(shù)從質(zhì)量穩(wěn)定性、環(huán)境保護(hù)、職業(yè)健康方面均優(yōu)于低溫液體滲硫技術(shù)。本文通過(guò)多種條件的摩擦磨損性能試驗(yàn)，對(duì)比二者摩擦磨損性能和零件實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的差異，為滲硫工藝的選用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

滲硫試件為硬度62～66 HRC的W6Mo5Cr4V2高速鋼，主要化學(xué)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?qū)由?.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?qū)由?.02～0.15 mm。

表1 W6Mo5Cr4V2鋼的名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

采用Rtec多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)兩種工藝制備的滲硫試件進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)磨材料為符合GB/T 308—2002《滾動(dòng)軸承鋼球》的GCr15鋼球，硬度為64～66 HRC，具體試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)后利用KEYENCE 3D表面形貌測(cè)量?jī)x、EDS能譜分析儀對(duì)試件表面磨損形貌和硫元素含量進(jìn)行測(cè)量和分析。

表2 摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)

注：若試驗(yàn)未達(dá)到60 min時(shí)，試件摩擦因數(shù)不可逆陡增，則終止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)與壽命

定義“失效”為試件在試驗(yàn)中摩擦因數(shù)不可逆轉(zhuǎn)地陡增，定義“壽命”為試驗(yàn)開(kāi)展至失效所用的時(shí)間，若在試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)60 min內(nèi)未失效，則取3600 s為試件壽命。由摩擦磨損試驗(yàn)得到的離子滲硫?qū)雍鸵后w滲硫?qū)幽Σ烈驍?shù)和壽命如表3所示。從表3可知，相同試驗(yàn)條件下，離子滲硫件的摩擦因數(shù)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(yōu)。

表3 W6Mo5Cr4V2鋼滲硫?qū)拥哪Σ烈驍?shù)和壽命

2.2 摩擦形貌

使用3D表面形貌測(cè)量設(shè)備，在摩擦痕跡中央沿磨痕寬度方向測(cè)量磨損面積，該面積的大小可以表征磨損的嚴(yán)重程度。由摩擦磨損試驗(yàn)得到離子滲硫?qū)雍鸵后w滲硫?qū)拥哪p面積如表4所示，在試驗(yàn)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(yàn)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?qū)訉由钸_(dá)0.60～0.70 mm，試件在低壓離子滲硫爐內(nèi)，通入的滲硫氣氛釋放活性S2-離子，在磁場(chǎng)的作用下轟擊工件表面，形成了表面化合物層和內(nèi)部擴(kuò)散層，在摩擦磨損后含有硫化亞鐵的擴(kuò)散層仍能起到抗咬合和減磨損的作用。而液體滲硫?qū)訉由顬?.02～0.15 mm，在液體滲硫工藝中，硫氰酸銨受熱分解產(chǎn)生活性S2-離子，與工件表面接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫化亞鐵，受制于工藝方法原理，隨著液體滲硫的進(jìn)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(wú)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(huì)露出基體，失去抗咬合和減磨損的性能[3]。磨損面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，離子滲硫?qū)拥哪湍バ詢(xún)?yōu)于液體滲硫?qū)印?/p>

表4 W6Mo5Cr4V2鋼滲硫?qū)拥哪p面積

圖1 在試驗(yàn)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(duì)離子滲硫?qū)雍鸵后w滲硫?qū)颖砻媪蛟氐馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示。由表5可知，在摩擦磨損試驗(yàn)前隨機(jī)抽取1件離子滲硫件和1件低溫液體滲硫件，測(cè)得其硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.55%和10.13%。在摩擦磨損試驗(yàn)后，除試驗(yàn)條件1下離子滲硫件的硫含量存在異常，不進(jìn)行比較外，其他試驗(yàn)條件下離子滲硫?qū)雍鸵后w滲硫?qū)颖砻娴牧蛟睾烤兴鶞p少，符合摩擦磨損試驗(yàn)的規(guī)律[4]。另外，同一試驗(yàn)條件下，離子滲硫?qū)颖砻媪蛟睾吭谀p后的變化小于液體滲硫?qū)?，表面剩余滲硫膜更完整，抗磨性能的持續(xù)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(kuò)散層組成的梯度滲硫?qū)覽5]，即使發(fā)生摩擦磨損，露出的內(nèi)部擴(kuò)散層仍有硫化亞鐵存在，表現(xiàn)出更好的抗磨損性能[6]。

表5 摩擦磨損試驗(yàn)前后試件表面硫元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3 運(yùn)轉(zhuǎn)考核試驗(yàn)分析

對(duì)離子滲硫和液體滲硫試件進(jìn)行高低溫運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)和150 h運(yùn)轉(zhuǎn)考核試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)離子滲硫和液體滲硫試件在全部試驗(yàn)過(guò)程中所處的環(huán)境、溫度、摩擦條件完全一致，試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。由圖2可見(jiàn)，目視檢測(cè)離子滲硫件和液體滲硫件外觀時(shí)均未見(jiàn)異常磨損，尺寸檢測(cè)亦未見(jiàn)明顯變化。

圖2 離子滲硫件和液體滲硫件運(yùn)轉(zhuǎn)考核試驗(yàn)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(yùn)轉(zhuǎn)考核試驗(yàn)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(jiàn)，采用掃描電鏡觀察離子滲硫件和液體滲硫件高低溫運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)后的表面磨損情況時(shí)均未見(jiàn)明顯磨損，仍有灰色斑點(diǎn)狀的硫化亞鐵化合物層保留在產(chǎn)品表面。在150 h運(yùn)轉(zhuǎn)考核試驗(yàn)后離子滲硫件和液體滲硫件表面同樣未見(jiàn)明顯磨損形貌，仍然有滲硫?qū)哟嬖赱7]。

4 結(jié)論

1) W6Mo5Cr4V2鋼離子滲硫件的摩擦因數(shù)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(yōu)。

2) 磨痕表面形貌測(cè)量結(jié)果顯示，離子滲硫件的磨損面積小于液體滲硫件，說(shuō)明同一試驗(yàn)條件下離子滲硫件磨損程度較輕，耐磨性能更優(yōu)。磨痕表面能譜分析結(jié)果顯示，離子滲硫件摩擦磨損試驗(yàn)前后表面硫元素含量比大于液體滲硫的。說(shuō)明同樣試驗(yàn)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(xù)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?qū)?，因而也表現(xiàn)出更好的摩擦磨損性能。

3) 離子滲硫件和液體滲硫件在運(yùn)轉(zhuǎn)考核試驗(yàn)后的尺寸無(wú)明顯變化，未見(jiàn)異常磨損，掃描電鏡結(jié)果顯示試件表面仍有滲硫?qū)哟嬖凇?/p>