車軸鋼表面滲氮／滲硫復合層的扭動微動磨損研究

顧和根，蔡振兵，岳 文，彭金方，朱旻昊

（1西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室 摩擦學研究所，成都610031；2中國地質大學（北京）工程技術學院，北京100086）

扭動微動是指在交變載荷下接觸副接觸界面發生微幅扭動的相對運動［1－3］。作為微動磨損相對運動的一種基本模式，普遍存在于機械裝備中，如機車的輪軸配合面、汽車懸掛架球窩關節及機車轉向架的心盤等，已成為導致部件失效的主要原因［2－7］。而表面工程技術是減緩微動損傷的重要措施之一［8－10］。對于接觸界面而言，理想摩擦表面結構依次為較軟的潤滑層作為最外層，較硬的次表層支撐著表面。在離子滲氮層上進行低溫離子滲硫處理得到滲氮／滲硫復合層可以有效地提高機械零件的摩擦學性能［11－13］。本工作通過在LZ50鋼表面進行離子滲氮和離子滲硫復合處理，研究滲氮／滲硫復合層的扭動微動磨損性，為指導車軸鋼表面工程的抗微動損傷提供了理論支持和工程指導。

1 實驗方法

1.1 滲氮／滲硫復合層的制備

基體材料選用鐵路上LZ50車軸鋼（主要成分為0.55%C，0.15%～0.35%Si，0.60%～0.90%Mn，≤0.03%P，≤0.30%Cr，≤0.30%Ni，質量分數），其硬度 HV50g＝250，屈服強度σs＝375MPa，抗拉強度σb＝630MPa，將其加工成10mm×10mm×30mm尺寸試樣，待測試表面（10mm×30mm）打磨拋光至Ra＝0.04μm，用丙酮超聲波清洗、干燥后備用。

滲氮／滲硫復合處理工藝：使用LDM2－25型等離子滲氮爐對試樣表面依次進行等離子滲氮、滲硫處理。處理工藝如表1所示。

表1 離子滲氮／滲硫處理工藝Table 1 Heat treatment process of the sulfide－nitrided layers

1.2 扭動微動磨損實驗

扭動微動實驗在扭動微動試驗機上進行［2］。采用球／平面接觸方式。平面試樣為滲氮／滲硫復合層和基體材料，對磨副為 GCr15鋼球（φ40mm，880HV50g，Ra＝0.02μm）。實驗主要參數：扭動角速度為0.2（°）／s，角位移幅值分別為0.1°，0.25°，0.5°，1°，2.5°，10°，法向載荷Fn為20N，循環次數為103次，實驗溫度為（25±5）℃，相對濕度為50%～60%。采用輪廓儀（NanoMap－Dual Mode 3DProfilometer）測量復合層表面粗糙度，維氏硬度儀（Akashi MVK－H21）測量復合層硬度，X射線衍射儀（PAN－alytical）小角衍射分析復合層相結構，光學顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（QUAN－TA200和 KYKY2800）和電子能譜（EDX）分析復合層及磨痕表面形貌和化學成分。

2 實驗結果及討論

2.1 滲氮／滲硫復合層的結構

圖1 滲氮／滲硫復合層表面形貌特征 （a）SEM；（b）3D形貌；（c）硬度；（d）XRDFig.1 Surface morphology of sulfide－nitrided layers（a）SEM；（b）3D－profile；（c）hardness；（d）XRD

圖1（a）所示，LZ50鋼經滲氮／滲硫復合處理后的表面呈孔狀的疏松結構，3D形貌（圖1（b））顯示表面表面粗糙度顯著增加。復合層表面的硬度得到了顯著的提高，約為715HV50g，由于基體效應，復合層的硬度隨著顯微硬度儀加載的載荷增加而逐漸減小（圖1（c）），表明基體效應增加增大。由圖1（d）XRD薄膜衍射檢測結果表明滲氮／滲硫復合層主要由ε－Fe2－3N、γ′－Fe4N、FeS和FeS2組成，其中ε－Fe2－3N和γ′－Fe4N相硬度較高，這也是復合層硬度顯著提高的原因；FeS為密排六方結構，易沿著密排面滑移，有良好的減摩作用；另外，“活性硫”飽和時還生成少量的FeS2，為正交或立方結構，不具有減摩效果，不起固體潤滑作用［14－16］。由圖2（a）所示的滲氮／滲硫復合層剖面的SEM形貌可見復合層的厚度約為15μm；同時對復合層剖面進行硫元素的縱向線掃描（見圖2（b））發現滲硫層的厚度很薄，這是由于樣品在滲氮處理過程中，氮離子轟擊樣品表面，沿著晶界擴散，氮離子包圍了鐵原子形成鐵氮化合物，裸露的鐵原子較少，因此低溫離子滲硫形成的滲硫層較薄。

圖2 滲氮／滲硫復合層的剖面形貌（a）及S元素能譜結果（b）Fig.2 SEM morphology（a）and S elemental spectroscopy result（b）of the cross－section of sulfide－nitrided layers

2.2 扭動微動運行特性

圖3 滲氮／滲硫復合層和LZ50鋼在不同角位移幅值下的T－θ曲線演變 （a）θ＝0.1°；（b）θ＝0.5°；（c）θ＝2.5°Fig.3 T－θcurves of sulfide－nitrided layers and LZ50steel under different angular displacement（a）θ＝0.1°；（b）θ＝0.5°；（c）θ＝2.5°

圖3為滲氮／滲硫復合層和LZ50鋼基體在不同角位移幅值下隨循環次數的T－θ曲線。可見，當角位移幅值為θ＝0.1°時，復合層和LZ 5 0鋼的T－θ曲線都始終為直線型，且扭矩較小，摩擦界面由接觸界面的彈性變形來協調，此時微動都處于部分滑移狀態。當角位移幅值θ增大到0.5°時，復合層和LZ50鋼的T－θ曲呈平行四邊形，接觸界面處于完全滑移狀態。當角位移幅值進一步增大到2.5°時，復合層和LZ50鋼的T－θ曲線從始至終為平行四邊形，此時扭動微動處于完全滑移狀態。復合層和LZ50鋼的T－θ曲線的形態沒有差別，但復合層的摩擦扭矩值都低于基體材料，這是復合層的表面材料降低了界面的摩擦，使得復合層具有明顯的減摩特性。

利用T－θ曲線的形狀和磨痕形貌的演變過程來判斷扭動微動運行區域［3］。當θ＝0.25°時，復合層和LZ50鋼磨痕的黏著區隨著循環次數的增加逐漸減少，此時復合層已進入混合區（如圖4（a））；當θ＝1°時，復合層在100次循環時損傷就覆蓋了整個區域（圖4（b）所示）。而LZ50鋼在θ＝2.5°時損傷才運行于滑移區。表2給出了復合層和LZ50鋼在不同角位移幅值下的扭動微動運行區域。兩者相比，復合層的混合區明顯減小了，復合層降低了基體材料裂紋損傷的傾向，同時，滑移區向小角位移幅值方向移動，這是由于復合層中的滲硫層具有很好的潤滑效果，有利于接觸界面發生相對滑動。

圖4 滲氮／滲硫復合層扭動微動混合區及滑移區損傷演變 （a）混合區：θ＝0.25°；（b）滑移區：θ＝1°Fig.4 Torsional fretting damage evolution of sulfide－nitrided layers in mixed fretting regime and slip regime（a）mixed fretting regime：θ＝0.25°；（b）slip regime：θ＝1°

表2 不同角位移幅值下的運行區域分布Table 2 The running regime under different angular displacement

2.3 摩擦扭矩時變曲線

圖5為滲氮／滲硫復合層和LZ50鋼基材在Fn＝20N時，不同角位移幅值條件下的摩擦扭矩隨循環周次的變化曲線。當扭動微動運行于部分滑移區時（θ＝0.1°），復合層扭矩從始至終維持在一個較低的水平；而基材的扭矩經歷跑合期和上升期后達到穩定，且整個循環過程中滲氮／滲硫復合層的扭矩明顯低于LZ50鋼的扭矩。當微動運行于混合區（θ＝0.5°）時，滲氮／滲硫復合層的扭矩經過短暫的跑合后，呈上升趨勢，在100次循環時達到最大，此后進入緩慢下降趨勢；而基材的扭矩經過短暫的上升達到峰值，而后進入緩慢下降階段，在700次循環后呈現上升趨勢。在滑移區（θ＝2.5°）時，滲氮／滲硫復合層和LZ50鋼都經過初始的上升階段后達到峰值而后進入穩定階段，且滲氮／滲硫復合層的扭矩明顯低于LZ50鋼。可見，在部分滑移區和滑移區，滲氮／滲硫復合層的扭矩始終明顯低于基材的扭矩，這是由于經過復合處理，LZ50車軸鋼表面形成了滲氮／滲硫復合層，其中滲硫層中的FeS為密排六方結構，變形抗力小，易沿｛0001｝密排面滑移，剪切強度較低，塑性流變較強，具有良好的減摩作用，而滲氮層的硬度較高，對滲硫層起到了很好的支撐作用；而在混合區，復合層的扭矩在10次循環比LZ50鋼的扭矩小，而后基本沒明顯變化，這有可能由于兩者的接觸界面狀態不同造成的，LZ50鋼發生明顯的磨損，產生的磨屑形成第三體起到了潤滑作用，使得扭矩達到峰值后呈緩慢下降趨勢；而滲氮／滲硫復合層磨損輕微，僅有粗糙峰去除，未形成有效的第三體（磨屑層）。

圖5 滲氮／滲硫復合層和基體的扭矩對比Fig.5 Comparison of the friction torque between sulfide－nitrided layers and LZ50steel

2.4 微動損傷分析

圖6為LZ50鋼和復合層在不同微動區的磨痕OM形貌。可見，LZ50鋼呈現圓環狀的磨損，磨痕中心黏著，在接觸邊緣有圓環狀的微動環，損傷輕微（圖6（a））；而滲氮／滲硫復合層損傷輕微，僅有粗糙峰的碾壓痕跡，復合層基本形貌依然存在（圖6（b））。

圖6 LZ50鋼和復合層在不同微動區的磨痕OM形貌（a）LZ50鋼（θ＝0.1°）；（b）滲氮／滲硫復合層（θ＝0.1°）Fig.6 OM morphologies of the wear scars of LZ50steel and sulfide－nitrided layers in different fretting regime（a）LZ50steel（θ＝0.1°）；（b）sulfide－nitrided layers（θ＝0.1°）

在混合區，LZ50鋼中心黏著區幾乎沒有損傷，外側圓環狀的微滑區發生明顯的塑性流動，材料表面有明顯的犁溝痕跡，材料剝落形成剝落坑，磨屑覆蓋在損傷區，磨損較嚴重（圖7（a））。而復合層由于表面FeS固體潤滑層的作用，相對滑動基本覆蓋整個接觸區，一些區域發生了輕微的塑性流動，局部區域僅有碾壓痕跡，接觸界面的相對滑動去除的粗糙峰形成了磨屑散落在凹坑，滲硫層和磨屑起著雙重潤滑作用，使得復合層的損傷比LZ50鋼輕微（圖7（b）），磨痕深度明顯比LZ50鋼淺（圖7（c））。EDX顯示復合層磨痕表面較磨損前氧峰顯著升高，這說明氧化磨損是其失效的重要機制（圖8（a））。

在滑移區，LZ50鋼微滑區外側由于相對滑移量較大，損傷較中心區域嚴重。接觸區出現磨粒磨損的犁溝，外側材料剝落產生大量的磨屑在接觸區堆積壓實形成片狀磨屑層（圖7（d））。而對于復合層（圖7（e））損傷機制類似于LZ50鋼，但由于高硬度的滲氮層的支撐，損傷面積小于LZ50鋼，復合層相對較低區域仍保持復合層的原始形狀，相對較高區域形成塑性流動層，在切向力的反復作用下，材料剝落碾壓形成片狀磨屑層（第三體）阻礙了復合層的進一步磨損，這表明復合層有更好的抗磨損性能（圖7（f））；同時，對復合層接觸區表面磨損前后進行EDX（圖8（b））分析，結果表明：磨損后，接觸區的硫峰和鐵峰降低，氧峰升高，這說明在磨損過程中，損傷表面發生了劇烈的氧化反應。但此時的摩擦扭矩仍低于LZ50鋼，這可能由于摩擦熱使FeS分解形成活性硫原子，這些硫原子擴散進入基體形成新的FeS固體潤滑劑，進一步起到了減摩作用［8］。綜上所述，復合層在滑移區的損傷機制為剝層，磨粒磨損和氧化磨損。

3 結論

（1）通過對LZ50車軸鋼表面進行滲氮／滲硫復合處理，在車軸鋼表面形成了滲氮層和滲硫層，其中滲氮層主要由Fe3N和Fe4N組成，厚度約為15μm；滲硫層主要由FeS和FeS2組成，厚度較薄。

（2）滲氮／滲硫復合層改變了扭動微動運行區域，使混合區減少，滑移區向小位移幅值方向移動，摩擦扭矩較LZ50鋼基體低。

（3）滲氮／滲硫復合層在部分滑移區損傷輕微，在混合區和滑移區磨損機制主要為剝層、磨粒磨損和氧化磨損，復合層具有良好的潤滑減摩和抗磨作用。

［1］ 周仲榮，朱旻昊.復合微動磨損［M］.上海：上海交通大學出版社，2004.

［2］ CAI Z B，ZHU M H，ZHOU Z R.An experimental study tor－sional fretting behaviors of LZ50steel［J］.Tribology International，2010，43：361－369.

［3］ CAI Z B，ZHU M H，SHEN H M，et al.Torsional fretting wear behaviour of 7075aluminium alloy in various relative humidity environments［J］.Wear，2009，267：330－339

［4］ 蔡振兵，朱旻昊，俞佳，等.扭動微動的模擬與試驗研究［J］.摩擦學學報，2008，28（1）：18－22.CAI Z B，ZHU M H，YU J，et al.Experimental investigation and simulation of torsional fretting mode［J］.Tribology，2008，28（1）：18－22.

［5］ 蔡振兵，高姍姍，何莉萍，等.聚甲基丙烯酸甲酯的扭動微動摩擦學特性研究［J］.四川大學學報：工程科學版，2009，41（1）：96－100.CAI Z B，GAO S S，HE L P，et al.Torsional fretting characteristics of ploy methyl methacrylate［J］.Journal of Sichuan University：Engineering Science Edition，2009，41（1）：96－100.

［6］ 蔡振兵，朱旻昊，張強，等.鋼－鋼接觸的扭動微動磨損氧化行為研究［J］.西安交通大學學報，2009，43（9）：86－90.CAI Z B，ZHU M H，ZHANG Q，et al.Oxidation behaviors of steel－to－steel contact under torsional fretting wear［J］.Journal of Xi’an Jiaotong University，2009，43（9）：86－90.

［7］ 蔡振兵.扭動微動磨損機理研究［D］.成都：西南交通大學博士學位論文，2009.

［8］ ZHU M H，ZHOU Z R.An investigation of molybdenum disulfide bonded solid lubricant coatings in fretting conditions［J］.Surface and Coatings Technology，2001，141（2－3）：240－245.

［9］ 朱旻昊，徐進，周仲榮.抗微動損傷的表面工程設計［J］.中國表面工程，2007，20（6）：5－10.ZHU M H，XU J，ZHOU Z R.Alleviating fretting damages through surface engineering design［J］.China Surface Engineering，2007，20（6）：5－10.

［10］ 徐桂珍，劉家浚，周仲榮.表面改性技術在微動摩擦學領域中的應用［J］.摩擦學學報，1998，18（6）：185－190.XU G Z，LIU J J，ZHOU Z R.Application of surface modification technology in fretting tribology［J］.Tribology，1998，18（6）：185－190.

［11］ YUE W，GAO X C，LIU Y D，et al.Tribological properties of sulfurized－nitrided layer prepared by a two－step method ［J］.Vacuum，2011，85：1011－1016.

［12］ ZHANG N ，ZHUANG D M，LIU J J.Tribological behaviors of steel surfaces treated with ion sulphurization duplex processes［J］.Surface ＆ Coatings Technology，2009，203：3173－3177.

［13］ 江志華，佟小軍，孫楓，等.復合化學熱處理13Cr4Mo4Ni4VA鋼摩擦磨損性能研究［J］.航空材料學報，2011，31（4）：39－44 JIANG Zhi－hua，TONG Xiao－jun，SUN Feng，et al.Investigation of sliding wear characteristics of vacuum－carburized，duplexhardened and plasma－sulfurized 13Cr4Mo4Ni4VA steel［J］.Journal of Aeronautical Materials，2011，31（4）：39－44.

［14］ 王海斗，莊大明，王昆林，等.低溫離子滲硫層的干摩擦學性能對比研究［J］.材料熱處理學報，2002，23（4）：30－34.WANG H D，ZHUANG D M，WANG K L，et al.A comparative study on wear－resistance of ion sulfide layers of different steels［J］.Transactions of Materials and Heat Treatment，2002，23（4）：30－34.

［15］ 張寧，莊大明，王燕華，等.低溫離子滲硫層的結構和減摩性能［J］.材料研究學報，2000，14（1）：61－65.ZHANG N，ZHUANG D M，WANG Y H，et al.Structure and friction－reducing property of low temperature ion sulphurization layer［J］.Chinese Journal of Material Research，2000，14（1）：61－65.

［16］ 張 寧，莊大明，王燕華，等.低溫離子滲硫層的摩擦學性能研究［J］.摩擦學學報，1999，19（4）：348－353.ZHANG N，ZHUANG D M，WANG Y H，et al.A study on the tribological properties of sulfide layer produced by ion sulphurization［J］.Tribology，1999，19（4）：348－353.