可控離子滲入(PIP)處理滲層性能研究

侯 彬，李文明

(1.南京電子技術研究所，江蘇 南京 210039；2.湖南紅宇智能制造有限公司，湖南 長沙 410600)

近年來，部署在沿海地區的雷達天線車發生了多例活塞桿(表面鍍硬鉻處理)銹蝕、鍍鉻層剝落，導致液壓油缸密封失效而造成滲漏油故障；此外，銷軸(表面QPQ鹽浴復合處理)也出現了較嚴重的銹蝕問題，影響了裝備整體外觀形象。基于上述狀況，亟需探求一種新技術以解決運動摩擦構件的耐磨防腐蝕問題。

可控離子滲入(Programmable Ion Permeation，簡稱PIP)技術是一種黑色金屬復合表面處理新技術，其將非金屬元素(C、N、O)和微量金屬元素(Y、La)滲入到零件中，在零件表面形成由金屬氧化物、溶入氧的化合物晶格、金屬碳氮化合物以及氮在鐵中的固溶體組成的可控的多層復合滲層，從而使零件整體內、外表面同時形成防腐蝕耐磨層。PIP處理過程實現零排放、綠色環保。

本文通過相關應用試驗，研究了活塞桿、銷軸常用的5種材質：45鋼、40Cr、42CrMo、38CrMoAl、17-4PH，經PIP處理后的顯微硬度、耐磨性、耐蝕性及油漆附著力等性能，并與硬鉻鍍層、QPQ(Quench-Polish-Quench，氮碳氧復合處理技術)滲層進行了相應性能對比。

1 試驗部分

1.1 試驗試樣

本試驗所用的試樣為活塞桿、銷軸常用的5種牌號鋼材(45鋼、40Cr、42CrMo、38CrMoAl、17-4PH)經過粗、精加工而成的圓柱(φ10～φ60 mm)，表面粗糙度為Ra3.2 μm。油漆附著力試樣 為 長 方形樣板，尺寸為150 mm×70 mm，厚度為3 mm。

1.2 PIP處理工藝流程

PIP處理在湖南紅宇智能制造有限公司(以下簡稱紅宇智能)進行，工藝流程如圖1所示。

圖1 PIP處理工藝流程

圖1中，清洗工序主要去除零件表面的油污，通常采用中性或弱堿性除油劑；預熱工序溫度約為350 ℃，預熱時間為0.5～1 h；離子滲入工序(滲氮、碳和稀土)溫度為450 ℃，時間為3 h；離子活化工序(滲氧)溫度為400 ℃，離子穩定化工序溫度為180 ℃。

1.3 性能試驗方法

1.3.1 顯微硬度

按GB/T 4340.1進行維氏硬度試驗，試驗設備為Buehler顯微硬度計MicroMet5103，試驗力采用0.980 7 N，試驗力保持時間為10～15 s，采用正方形試塊(10 mm×10 mm)作為試樣。

1.3.2 耐磨性能

按GB/T 12444進行滑動磨損試驗，測試磨損體積和磨損率。試驗設備為Sciland公司的PIN/DISK型摩擦磨損試驗機，采用正方形試塊(10 mm×10 mm)作為試樣。

1.3.3 耐蝕性能

按GB/T 10125進行800 h中性鹽霧試驗和192 h酸性鹽霧試驗(鹽溶液pH值為3.0～4.0)，按GJB 150.9A進行240 h濕熱試驗，試驗后按GB/T 6461進行保護等級(耐蝕性能等級)評級。

1.3.4 油漆附著力

按GB/T 9286進行漆膜的劃格試驗，采用TH06-27通用標準底漆、S06-N-1聚氨酯底漆分別進行試驗，試驗后進行附著力評級。

2 結果及討論

2.1 外觀及滲層組織

PIP處理后的成品如圖2所示，自左向右分別為45鋼、17-4PH、40Cr、38CrMoAl和42CrMo。PIP滲層金相組織如圖3所示。

圖2 PIP成品外觀

圖3 PIP滲層金相組織

由圖3可知，5種材料經PIP處理后，金屬基體由表及里依次形成氧化物層(Fe3O4)、化合物層(Fe2-3N)和Fe的過飽和固溶體層(固溶元素為C和N元素)；其厚度分別為氧化物層1～3 μm，化合物層30～40 μm，Fe的過飽和固溶體層0.2～0.4 mm。

2.2 顯微硬度

3種表面處理工藝(PIP、QPQ、鍍硬鉻，下同)、5種材料的表面顯微硬度測試結果見表1。

表1 顯微硬度測試結果

由表1可以看出，5種材料經過PIP處理后，除45鋼表面硬度值HV0.1低于800之外，其他4種材料表面硬度值HV0.1均達到800以上。PIP處理后，表面硬度較QPQ處理有較大提升，與硬鉻鍍層基本處于同等水平。

2.3 耐磨性能

3種表面處理工藝、5種材料的磨損體積、磨損率測試結果分別見表2和表3。

表2 磨損體積測試結果

表3 磨損率測試結果

由表2和表3可以看出，5種材料經過PIP處理后，磨損體積較QPQ處理降低一個數量級，與硬鉻鍍層基本處于同等水平；磨損率較QPQ處理有較明顯降低，與硬鉻鍍層基本處于同等水平。因此，PIP處理后綜合耐磨性能優于QPQ處理，與硬鉻鍍層水平相當。

2.4 耐蝕性能

3種表面處理工藝、5種材料經800 h中性鹽霧試驗、240 h濕熱試驗、192 h酸性鹽霧試驗后，保護等級(耐蝕性能等級)見表4～表6。

表4 中性鹽霧試驗后保護等級(耐蝕性能等級)

表5 濕熱試驗后保護等級(耐蝕性能等級)

表6 酸性鹽霧(pH=3.5)試驗后保護等級(耐蝕性能等級)

由表4～表6可以看出，PIP處理的5種材料經800 h中性鹽霧試驗、240 h濕熱試驗、192 h酸性鹽霧試驗后，保護等級(耐蝕性能等級)均達到9級，較QPQ、鍍硬鉻2種處理工藝均有顯著提升，耐蝕性能優異。

研究表明[1-2]，PIP、QPQ處理獲得的滲層的耐蝕性能，主要是由滲層的化合物層厚度所決定的。紅宇智能PIP工藝所獲得的化合物層厚度可達30 μm以上，是常規QPQ工藝所獲得的化合物層厚度(10～15 μm)的2～3倍，化合物層的主要物相Fe3N具有比基體金屬更好的耐蝕性能；此外，微量稀土元素Y、La和基體Fe形成的過飽和固溶體在一定程度上也提升了耐蝕性能[3]。因此，PIP處理后化合物層厚度的增加對提高耐蝕性能起到了關鍵作用，微量稀土元素Y、La的添加對提高耐蝕性能具有一定的協同促進作用。17-4PH不銹鋼經鹽浴氮化后在不改變耐蝕性能的前提下，耐磨性能可大幅提高[4-5]。鹽浴滲氮可顯著提高合金結構鋼、鑄鐵、不銹鋼等黑色金屬的防腐耐磨性能[6-10]。

硬鉻鍍層經中性鹽霧試驗、濕熱試驗后顯現出較差的耐蝕性能，其保護等級顯著低于PIP和QPQ滲層，主要是由鍍層的高孔隙率、較差的致密性等缺陷導致的。

2.5 油漆附著力

經PIP處理的5種材料樣板的油漆附著力測試結果見表7。

由表7可以看出，對于經PIP處理的5種材料樣板，TH06-27通用標準底漆的附著力優于S06-N-1聚氨酯底漆。因此，當PIP處理件需涂覆油漆時，應優先選用TH06-27通用標準底漆。

表7 PIP樣板的油漆附著力測試結果

3 結語

PIP滲層耐磨性能良好，與硬鉻鍍層基本相當；耐蝕性能優異，較QPQ滲層和硬鉻鍍層均有顯著提升，耐酸性鹽霧性能尤為突出；PIP滲層與TH06-27通用標準底漆的附著力優良，配合油漆涂層一起使用可作為高溫、高濕、高鹽霧、長日照的嚴酷海洋大氣環境下(如南海島礁等地域)的長效防護層。此外，PIP處理過程零排放、綠色環保。總之，PIP處理工藝可替代QPQ、電鍍硬鉻等傳統的耐磨防腐蝕處理工藝，具有較廣闊的應用前景。