零件耐磨性研究

零部件磨損失效是材料小斷地從零件表而流失的過程，是個漸變、逐步發展的過程。磨損是個非常普遍的現象，零件的重量、尺寸和形狀等物理參量均會在磨損過程中發生變化，進而影響機械設備的正常運行，甚至對機械造成毀滅性破壞。提高機械零部件耐磨性，一直是材料研究的一個重要課題。本文從傳統工藝和現代工藝兩方面簡要介紹一下。

1 傳統工藝

傳統工藝中，提高零件的耐磨性，主要方法是進行表面熱處理，即鋼的表面淬火和化學熱處理。

1.1 鋼的表面淬火

鋼的表面淬火是一種不改變剛表層化學成分，但改變表層組織的局部處理方法。它是通過快速加熱，使鋼的表層奧氏體化，在熱量尚未充分傳至中心時立即予以淬火冷卻，使表層獲得硬而耐磨的馬氏體組織，而心部組織保持不變。根據加熱方法的不同，表面淬火可分為感應淬火、火焰淬火、電解液淬火、激光淬火和電子束淬火等。其中感應淬火在生產中應用最為廣泛。

感應淬火法原理是把工件放入由空心銅管繞成的感應器（線圈）中，感應器中通過一定頻率的交流電以產生交變磁場于是工件內就會產生頻率相同、方向相反的感應電流。感應電流在工件內自成回路，故稱為“渦流”。渦流在工件截面上的分布是不均勻的，表面密度大，中心密度小，通入感應器的頻率越高，渦流集中的表面層越薄，這種現象稱為“集膚效應”。由于鋼本身具有電阻，因而集中于工件表層的渦流，可以使表層迅速被加熱到淬火溫度，而心部溫度仍接近室溫，所以，在隨即噴水快速冷卻后，就達到了表面淬火的目的。由于通入感應器的電流頻率越高，感應渦流的集膚效應就越強烈，故電流透入深度就越薄。

1.2 鋼的化學熱處理

化學熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質中保溫，是一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。它和表面淬火的主要區別就是表層不僅有組織變化，而且化學成分也發生了變化。當工件加熱到一定溫度后，通常經歷分解、吸收和擴散三個基本過程。目前在機械制造中，最常用的化學熱處理有滲碳、滲氮和碳氮共滲。

滲碳是把鋼置于滲碳介質（又稱滲碳劑）中，加熱到單相奧氏體區，保溫一定時間使碳原子滲入表層的化學熱處理工藝。滲氮是在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的化學熱處理工藝。目前應用的滲氮方法主要有氣體滲氮和離子滲氮。碳氮共滲是向鋼的表面同時滲入碳和氮原子的過程。碳氮共滲的方法有液體碳氮共滲和氣體碳氮共滲，其中氣體碳氮共滲在生產中應用較廣。

2 現代工藝

隨著科學技術的不斷發展，在提高零件耐磨性方面出現了很多新的工藝，其中等離子熔覆技術、DLC表面處理和深冷處理技術比較具有代表性。

2.1 等離子熔覆技術

等離子熔覆技術是采用等離子束為熱源，在金屬表面獲得優異的耐磨、耐蝕、耐熱、耐沖擊等性能 的新型材料表面改性技術。在按照程序軌跡運行的DC—Plasma—Jet等離子束流的高溫下，高能束流熔敷的過程是把合金粉末利用同步送粉器送到需要進行強化處理的工件表面，同時利用高能束流輻照使合金粉末熔化，工件表面淺層同時熔化，在工件表面形成合金熔池，高能束流 束移開之后，在工件自身的快速熱傳導以及工件周圍空氣的輻射傳熱作用下，合金熔池快速凝固，從而形成成分均勻、致密、組織細小均勻、無顯微氣孔及裂紋，同工件形成良好冶金結合的高質量冶金涂層。

目前，等離子束熔覆大多采用噴涂用Ni基、Co基和Fe基自熔合金粉末，向自熔合金中添加WC、TiC等陶瓷相及陶瓷形成元素，可形成陶瓷復合涂層或梯度涂層。熱噴涂粉末結晶溫度區間大，應用于等離子束熔覆時，涂層氣孔和裂紋傾向增大。等離子熔覆屬于一種表面快速冶金過程，可得到符合相圖的各種合金，也可得到遠離平衡的超合金。因而開發等離子熔覆專用材料將是等離子熔覆研究的重要方向之一。

2.2 DLC表面處理

DLC膜是類金剛石碳（Diamond-like carbon）膜的簡稱，是一類物理和化學性質類似于金剛石且具有獨特摩擦學特性的非晶碳膜。DLC膜易于大面積沉積，沉積速度快，沉積溫度低，可采用金屬和非金屬材料作為襯底，加之其具有較高的硬度、良好的化學惰性及生物相容性、優異的耐磨性及極低的摩擦系數、優異的紅外透光性等優點所以具，有重大的實用價值。利用DLC膜的耐磨性和潤滑性，美國Gillette公司將DLC膜應用在剃須刀片，使剃須刀更加鋒利、舒適之后，近二十年來，DLC膜工藝發展迅速，已逐漸從實驗室研究階段向大規模應用階段轉變。目前，DLC膜應用廣泛，制備技術日益成熟，常見的主要有等離子體輔助化學氣相沉積（PECVD）法和物理氣相沉積（PVD）法。

技術人員曾做過實驗比較高速鋼有無沉積DLC薄膜的性能，實驗表明不同轉速、不同潤滑條件下，DLC表面處理能夠明顯提高高速鋼的耐磨性能；相同DLC表面處理的高速鋼在低速下的摩擦磨損性能明顯比在高速下的好；在干摩擦或油潤滑條件下，DLC表面處理可以有效地作為高速鋼的減磨涂層。

2.3 深冷處理技術

深冷處理是相對于熱處理而言，用于改變金屬材料的內部結構，進而改善材料的力學性能和加工性能的一種工藝方法。一般將0～-100℃的冷處理定義為普通冷處理；將冷卻溫度低于-130℃的冷處理稱為深冷處理。深冷處理是以液氮為冷卻介質對材料進行處理的方法，是目前最新的強韌化處理工藝之一。

深冷處理一般采用液氮作為制冷劑，它不僅制冷溫度低（可達-196℃），而且經濟方便，對環境無污染。以液氮為制冷劑進行深冷處理可分為兩種方式。一種是液體法，即液氮浸泡式制冷，它是將工件直接放入裝有液氮的容器中，使工件驟冷至液氮溫度 ，并在此溫度下保溫一定時間，最后回復至室溫完成深冷處理。采用液氮直接深冷的處理工藝，由于液氮直接與被處理工件接觸，降溫速率很快，會導致熱應力過大，產生熱沖擊作用，容易對工件材料造成組織損害，甚至對某些材料產生低溫快冷脆斷現象，而且工件在降溫過程中降溫速率難以控制，影響工藝的可控性。另一種方法是氣體法，利用液氮的汽化潛熱或低溫氮氣制冷，即使低溫氮氣與材料接觸，通過對流換熱，使氮氣經噴管噴出后在深冷箱中汽化，利用汽化潛熱及低溫氮氣吸熱作用使工件降溫，通過控制液氮的輸入量來控制降溫速率，可實現對深冷處理溫度的自動可調，精確控制，且無熱沖擊作用，在研究中被廣泛采用。

目前，國內外對黑色金屬的深冷處理工藝一般采用兩種方法。一種是深冷-急熱法，即深冷后快速升溫的處理工藝；另一種為冷-熱循環處理法。兩種方法均可以降低材料的內應力，提高尺寸穩定性，減少加工變形，提高強度和韌性，改善力學性能。但兩種方法相比較而言，后者較前者的處理效果好一些。冷熱循環法降低應力的主要原因是材料發生塑性變形釋放了一部分彈性應變，每次冷-熱循環均會產生變形從而使材料原有的殘余應力降低，經多次冷-熱循環處理，殘余應力消除比較徹底，材料力學性能可得到較大改善。

作者簡介

蔡浩（1990—），男，河北省大城縣人，杭州士官學校，教員，研究方向：彈藥與火炮修理。