復合化學熱處理13Cr4Mo4Ni4VA鋼摩擦磨損性能研究

江志華， 佟小軍， 孫 楓， 李 志， 王子君， 時連衛

(1.北京航空材料研究院，北京100095;2. 洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽471039)

復合硬化工藝是近年來新興的先進表層硬化工藝［1～3］，歐美先進國家已將復合硬化工藝應用于M50NiL，Vasco X-2M，JX-12 鋼等多種齒輪軸承材料。被列入ASETT 計劃中的工業公司和研究機構對其性能進行了評價［4，5］。研究表明，復合硬化相對傳統表層硬化方法具有不可比擬的優越性:其表面硬度高，能抵抗高接觸應力，抑制次表層的塑性變形，可大幅度提高齒輪軸承耐磨性、疲勞性能以及抗膠合能力。表面滲硫具有良好的減摩效果，可以改善零件表面的抗黏合性能和抗擦傷性能，從而受到國內外研究者普遍關注［6，7］。離子滲硫技術是我國研究工作者獨立研究發展起來的一項新技術，具有滲速快、環境友好度高的特點，隨著離子滲硫技術越來越成熟和推廣應用［8～13］，滲硫層特征、摩擦學性能及其抗磨減摩機理成為眾多學者研究的熱點［7，14］。

13Cr4Mo4Ni4VA 鋼回火溫度高(＞500℃)，耐溫達350℃［15］，是高性能中溫滲碳軸承齒輪鋼。本工作對13Cr4Mo4Ni4VA 鋼進行真空滲碳、復合硬化、離子滲硫等復合處理，制備了組織性能梯度分布的復合硬化層，并在真空滲碳層及復合硬化層的基礎上制備了不同層深的滲硫層。重點研究了13Cr4Mo4Ni4VA 鋼(M50NiL 鋼)復合硬化件、滲碳件及不同層深的滲硫件的滑動摩擦磨損性能，并對不同工藝的表面層組織形貌及磨損形貌進行觀察分析，探索了不同工藝試件的抗磨減摩機理。

1 試驗方法

試驗材料為真空感應熔煉加真空自耗重熔(VIM+VAR)13Cr4Mo4Ni4VA 鋼，化學成分見表1。

表1 雙真空熔煉13Cr4Mo4Ni4VA 鋼化學成分(質量分數/%)Table 1 Composition of VIM+VAR processed 13Cr4Mo4Ni4VA steel(mass fraction/%)

13Cr4Mo4Ni4VA 鋼原始狀態為正火+ 高溫回火(或退火)，對其進行不同的熱表處理后，進行摩擦磨損性能評價，具體的熱表處理工藝如下:

表層滲碳:950℃真空滲碳，1100℃真空氣淬，然后進行冷處理和多次回火處理，滲碳層的有效深度為1.7 ～2.0mm，表面硬度為60 ～62 HRC;工藝狀態用C1 表示。

復合硬化:在滲碳硬化層基礎上進行氣體滲氮，滲氮溫度為500℃，滲氮層的深度約為0. 2 ～0.25mm，表面硬度為1100HV20;工藝狀態用CN 表示。

離子滲硫:在滲碳或復合硬化層的基礎上進行離子滲硫，滲硫溫度為250 ～350℃。基礎滲層為滲碳層時，滲硫層深5 ～15μm 的淺層滲硫標記為CS1，滲硫層深150 ～180μm 的深層滲硫標記為CS4;基礎滲層為復合硬化層時，滲硫層深150 ～180μm，標記為CN-S。

摩擦磨損試驗采用MMS-2A 屏顯式摩擦磨損試驗機，可以在線實時顯示和存儲摩擦系數、摩擦力矩及施加載荷等試驗數據，其工作原理見圖1。摩擦方式采用滑動摩擦，即試驗時一個磨環的轉速ω1= 0，另外一個磨環轉速ω2=400r/min，試驗施加較大載荷500N，試片先浸油然后開始干摩擦試驗，不再加油潤滑直至試驗結束，磨損時間共4h，試驗溫度為25℃。試樣尺寸見圖2，外徑為φ50 mm，厚度為10mm;摩擦試片及其對偶件采用相同的表面處理工藝。摩擦磨損試驗磨損量的稱量采用光電分析天平(精度0. 00001g);稱量前采用航空汽油、石油醚、正己烷進行超聲波清洗，并用真空干燥箱進行烘干。

試樣經不同熱表處理后，采用光學顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)對表層組織和表面形貌進行觀察分析，采用X 射線衍射(XRD)進行表層物相分析，采用掃描電鏡(SEM)對摩擦磨損形貌進行觀察分析。

圖1 磨損試驗原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of the wear tests

圖2 磨損試驗試樣示意圖Fig.2 Specimen configuration for sliding wear tests

2 結果與討論

2.1 表面層組織

圖3 為13Cr4Mo4Ni4VA 鋼經過不同熱表處理后表面層組織形貌，圖3a 為滲碳(C1 工藝)后表層組織，主要為高碳馬氏體、細小彌散的碳化物以及少量的殘余奧氏體;圖3b 為復合硬化(CN 工藝)后表面層金相組織，從表面向里依次為滲氮層和滲碳層，滲氮層深為0.2 ～0.25mm，滲氮層組織無白亮脆性層，圖3c 為復合硬化(CN 工藝)后滲氮層SEM 組織，主要為回火馬氏體基體上彌散分布的細小碳氮化合物，另外由XRD 分析結果可以看到滲層存在γ'相(Fe4N)(見圖3g)，氮原子的固溶和氮化物的沉淀析出使表面超硬(＞70HRC)，復合梯度硬化結構和優異的組織使滲層韌性高。

圖3d 為離子滲硫(CN-S 工藝)后滲層組織，可以看出從表面向里依次為滲硫層和復合硬化層，滲硫層層深為150 ～180μm，硫化物層比較疏松，和基體結合弱，由XRD 分析結果(見圖3h)看，主要為FeS 和FeS2，還有少量的MoSx，而C-S1 淺層工藝(滲硫層深為5 ～15μm)滲層中只存在FeS。圖3e，f 分別為離子滲硫CN-S 與C-S1 試樣的表面形貌，可見滲硫層表面疏松多孔，由顆粒狀硫化物層疊而成，深層滲硫CN-S 試樣的硫化物顆粒尺寸較大。有資料［7～10］認為滲硫層蜂窩狀結構有利于儲存并保持潤滑介質，提高潤滑油邊界強度，同時FeS 具有類似石墨的層狀結構，剪切強度低，是優良的固體潤滑劑，具有良好減摩效果。

圖3 不同工藝13Cr4Mo4Ni4VA 鋼的表面層組織形貌(a)真空滲碳層組織;(b)，(c)復合硬化層組織;(d)離子滲硫層組織(CN-S);(e)，(f)離子滲硫層表面形貌;(g)，(h)XRD 圖譜Fig.3 Case microstructure and surface morphology for thermochemical-processed 13Cr4Mo4Ni4VA steel(a)vacuum-carburizing case microstructure;(b)，(c)duplex-hardening case microstructure;(d)～(f)plasma-sulfurizing case microstructure and surface morphology;(g)，(h)XRD patterns

2.2 摩擦磨損試驗

圖4 不同工藝13Cr4Mo4Ni4VA 鋼滑動摩擦磨損試驗結果(a)滑動摩擦系數-時間曲線;(b)磨損量Fig.4 Sliding wear tests of thermochemical-processed 13Cr4Mo4Ni4VA steel(a)friction coefficient profiles as a function of time;(b)wear mass loss

在相同的試驗條件下對不同熱表處理的13Cr4Mo4Ni4VA 鋼進行摩擦磨損試驗對比。圖4a為不同工藝13Cr4Mo4Ni4VA 鋼試片摩擦系數隨時間的變化規律，滲碳試片摩擦系數基本穩定在0.11左右;復合硬化和滲硫C-S1 工藝試驗前期為跑合期，保持一個較高值，然后陡降至較低值，最終達到穩定的平臺期;滲硫CN-S 和C-S4 工藝試片基本無跑合期，摩擦系數在很短的時間內降至低值。采用復合硬化工藝和滲硫工藝后，穩定期摩擦系數降至0.006 ～0.02，較滲碳工藝摩擦系數降低了80%以上。圖4b 為不同工藝13Cr4Mo4Ni4VA 鋼試片磨損量，滲硫處理后磨損量大，滲硫層越厚(CS4 和CNS)，磨損量越大，采用滲碳和復合硬化處理后，磨損量小，較滲硫工藝降低了1 ～2個數量級。由摩擦磨損試驗結果來看，在滑動摩擦條件下，復合硬化件具有優異的減摩耐磨性能;而滲硫件減摩性能良好，滲硫層越厚減摩效果越明顯，但耐磨性變差。

2.3 摩擦磨損形貌

磨損試驗施加了較高的載荷，并且摩擦過程不再加油潤滑，試驗條件苛刻。圖5 為不同工藝試片在滑動摩擦磨損試驗后的SEM 形貌，可見所有工藝試樣均未出現嚴重的擦傷痕跡，原始的機加犁溝在磨損試驗后得到不同程度的改善。圖5a ～b，c ～d分別為真空滲碳、復合硬化處理后磨損形貌。在磨損跑合期，由于磨削犁溝等微突起或摩擦副裝配偏心度等原因，造成局部應力集中，摩擦系數維持在高值。復合硬化處理后表面超硬(＞70HRC)，抗塑性變形能力強，對偶件的摩擦起到類似“拋光”作用，將原有的加工痕磨去，使摩擦表面變光滑(見圖5 d)，降低了應力集中，改善了潤滑條件，這是導致磨損穩定期摩擦系數陡降的原因。滲碳件較復合硬化件硬度低，摩擦磨損過程中，改善加工犁溝的同時產生了新的摩擦凹坑，隨著時間的推移，凹坑擴展、聯合，沿摩擦方向拉長(見圖5b 中A 處)，因此摩擦系數始終維持在較高值。從磨損形貌看，在同樣的載荷條件下(500N)，復合硬化試樣磨損機制為輕微黏著磨損［16］，滲碳試樣磨損機制為相對嚴重的黏著磨損。綜上，不同硬化層的摩擦磨損性能和其承載能力息息相關，復合硬化件具有更高的承載能力，從而表現出優異的耐磨減摩性能。

圖5e ～f，g ～h，i 分別為離子滲硫C-S1，CN-S及C-S4 試片磨損后形貌。由于C-S1 滲硫層較薄，硫化物層很快發生機械破壞，基礎滲碳層承載，對磨區出現了摩擦凹坑(見圖5 f 中B，C 處)，同時磨損過程對偶件的硫化物發生了轉移，并且FeS 在機械力與摩擦熱的條件下，可能發生分解與再生成，沿表面缺陷及晶界擴散［7，14］，當摩擦面均勻性改善后，FeS 開始持續發揮減摩作用，從而導致磨損穩定期保持低的摩擦系數;如果滲硫層厚，可有效阻隔摩擦副基體之間的直接接觸，硫化物層機械破壞后，對偶件硫化物轉移以及FeS，FeS2在摩擦過程分解并重新生成FeS，FeS 黏附在摩擦表面形成一層薄膜，持續發揮減摩作用;另外滲硫層含有MoSx，其自潤滑作用強。以上因素綜合作用使CN-S 及C-S4 試片磨損時摩擦系數很快降低并保持低值，磨損面光滑，無摩擦凹坑(見圖5 h，i)。值得注意的是:硫化物層和基體結合力弱，在機械力作用下易破壞剝落(見圖5 g 中D 處)，因此過厚的硫化物層會導致耐磨性顯著降低，雖然其減摩效果明顯，但不建議采用;而無論淺層還是深層滲硫，高硬度基礎層起到重要的支撐作用，提高耐磨性，避免了嚴重擦傷，有效保證了滲硫層的持續減摩作用。

3 結 論

圖5 不同工藝13Cr4Mo4Ni4VA 鋼磨損形貌 (a)，(b)真空滲碳;(c)，(d)復合硬化;(e)，(f)離子滲硫(C-S1);(g)，(h)離子滲硫(CN-S);(i)離子滲硫(C-S4)Fig.5 Worn scar morphology of multiprocessed 13Cr4Mo4Ni4VA steel (a)，(b)vacuum carburized;(c)，(d)duplex hardened;(e)，(f)plasma-sulfurized(C-S1);(g)，(h)plasma-sulfurized(CN-S);(i)plasma-sulfurized(C-S4)

(1)對13Cr4Mo4Ni4VA 鋼進行了碳氮復合硬化和離子滲硫處理，制備了組織性能梯度分布的表面層。復合硬化處理后，最表層為滲氮層，厚度0.2～0.25mm，表面超硬(＞70HRC);次表層為滲碳層，復合梯度結構和優異組織使復合硬化層韌性高。離子滲硫層的基礎滲層為滲碳層或復合硬化層，滲硫層厚度淺層工藝為5 ～15μm，深層工藝達到了150 ～180μm。硫化物層主要由FeS，FeS2組成，硫化物層疏松多孔，和基體結合弱。

(2)對不同工藝13Cr4Mo4Ni4VA 鋼進行了大載荷摩擦磨損對比試驗，結果表明:在浸油干摩擦條件下，復合硬化件和滲硫件穩定期摩擦系數較滲碳件降低了80%以上，復合硬化件磨損量較深層滲硫件降低了2個數量級。

(3)復合硬化層表面硬度高，具有韌性梯度結構和高承載能力，抗塑性變形能力強，使復合硬化件具有優異的抗磨減摩性能。滲硫層具有良好的減摩性能，與FeS 結構特性、儲油能力以及摩擦過程中硫化物的分解、再生、擴散和轉移相關;滲硫層耐磨性與基礎硬化層及滲硫層厚度相關，過厚的滲硫層會導致耐磨性顯著降低。

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