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(yáng) 471003)

表面處理技術(shù)是增強(qiáng)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(zhì)滲層可通過物理氣相沉積、化學(xué)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(yīng)擴(kuò)散(TRD)技術(shù)是一種成本較低的滲層技術(shù),一般通過固態(tài)滲或鹽浴的方式進(jìn)行[5-7]。在TRD處理過程中,基體中的C或N元素向表面擴(kuò)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(yīng),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(jié)合力良好,具有較好的應(yīng)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(jié)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(xué)穩(wěn)定性[5-9]。

以往關(guān)于熱反應(yīng)擴(kuò)散滲層的研究大多集中在力學(xué)、磨損及生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方面,對(duì)其電化學(xué)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(duì)滲層的摩擦及耐蝕性能進(jìn)行了研究,為該技術(shù)在軸承鋼領(lǐng)域的應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料GCr15軸承鋼的化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%):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(jīng)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(jìn)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(dāng)溫度達(dá)到1000 ℃時(shí),將GCr15軸承鋼試樣放入不銹鋼坩堝中,處理時(shí)間達(dá)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(jì)、摩擦性能試驗(yàn)機(jī)和腐蝕測(cè)試儀對(duì)所制備的涂層進(jìn)行測(cè)檢。檢測(cè)前,在沸水中清洗樣品,并用細(xì)砂紙清理試樣表面的鹽浴黏著物。對(duì)樣品表面進(jìn)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(duì)NbC涂層的橫截面進(jìn)行觀察。摩擦試驗(yàn)時(shí),采用直徑為25.4 mm的GCr15鋼球作為對(duì)磨材料,鋼球硬度約為600 HV,轉(zhuǎn)速為500 r/min,載荷分別為665、1459和1826 g(6.65、14.59和18.26 N)。對(duì)于三種研究荷載,球體壓在NbC試樣上的平均赫茲接觸應(yīng)力計(jì)算為360、470和500 MPa。通過電位極化試驗(yàn)進(jìn)行耐蝕性能測(cè)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(jié)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(xù)的滲層,滲層與基體交接面光滑,同時(shí)滲層中可看到微小的孔隙。從表面到內(nèi)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(xiàn)了突變。采用掃描電鏡自帶刻度對(duì)滲層厚度進(jìn)行了測(cè)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(guān)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(yán)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(dāng)磨損距離超過420 m時(shí),磨損量大幅上升。圖3(b)中虛線為開始出現(xiàn)滲層磨透的位置,經(jīng)理論計(jì)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(yàn)距離不同,但都出現(xiàn)了NbC滲層磨透現(xiàn)象。其中,在18.26 N載荷條件下進(jìn)行磨損試驗(yàn),滲層在短時(shí)間內(nèi)便發(fā)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(cè)試420 m時(shí)磨損發(fā)生大幅上升為止。這是因?yàn)樵跐B層局部出現(xiàn)磨透后,大部分負(fù)載仍由硬質(zhì)NbC承受,隨著基材暴露在外,磨損逐漸增加。本試驗(yàn)是在干摩擦條件下采用不同載荷進(jìn)行試驗(yàn)的,來自接觸區(qū)域的磨屑是造成磨損的主要原因。磨損顆粒在測(cè)試過程中附著在球表面上,產(chǎn)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(jù)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?yàn)樵诒砻嫘纬闪烁哂捕群透吣湍バ缘腘bC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(dòng)力學(xué)極化曲線,該曲線包括陰極和陽(yáng)極區(qū)域。由圖5可知,在負(fù)(陰極)電位下,兩條曲線很接近;隨著電位上升到正(陽(yáng)極)電位時(shí),NbC滲層的極化曲線向更高電位移動(dòng),耐蝕性得到提升;但當(dāng)陽(yáng)極電位升高至大于250 mV時(shí),兩條曲線再次接近。因此,電位低于250 mV時(shí),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(dòng)力學(xué)極化曲線Fig.5 Potentiodynamic polarisation curves before and after Nb infiltration treatment

3 結(jié)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(cè)到明顯的脫碳現(xiàn)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(yàn)結(jié)果表明,電位低于 250 mV時(shí),滲Nb處理后GCr15軸承鋼的耐蝕性得到提升。