碳钢表面Ni-Cr共渗层的磨损性能研究①

朱晓林，姚正军，张平则

(1.江苏省产品质量监督检验研究院， 江苏 南京　210007； 2 南京航空航天大学， 江苏 南京　211100)



碳钢表面Ni-Cr共渗层的磨损性能研究①

朱晓林1,2，姚正军2，张平则2

(1.江苏省产品质量监督检验研究院， 江苏 南京210007； 2 南京航空航天大学， 江苏 南京211100)

采用双层辉光等离子合金化技术在碳钢表面制备Ni-Cr合金层，通过扫描电镜、维氏硬度计和摩擦磨损试验机表征了合金层的组织形貌、显微硬度和摩擦磨损行为。结果表明：双辉等离子镍铬共渗后，碳钢表面形成了有效厚度约12μm的合金层，合金层均匀致密，无孔洞裂纹等缺陷，合金层表面晶粒呈颗粒状，且结聚成团。渗后试样表面显微维氏硬度相对于基体提高了约一倍。合金层具有良好的耐磨性，在常温下的磨损失重相对基体降低了4倍以上。

摩擦磨损； Ni-Cr合金层； 等离子合金化

引　言

磨损是工件失效和材料损耗的主要方式之一。随着工业化进程的深入，其危害日趋严重。科技工作者一直重视耐磨材料和减摩技术的发展，以期对磨损进行有效控制。磨损一般是从材料表面、亚表面或因表面因素而引起[1-2]的，因此采用表面工程技术在廉价基体上制备耐磨合金层取代整体材料，对降低成本，减少材料的消耗，实现经济的可持续发展具有重大意义。

镍铬合金具有优异的耐磨、耐蚀、热强性、抗氧化等综合性能，并且兼具很好的力学性能和加工性能[3]，适宜于现代工业技术下苛刻的介质环境和服役工况，因此在零件的表面防护和修复方面得到了广泛的重视，已成功应用于航天航空、石油化工、水电水利等行业[4]。镍铬合金中，铬加入引起的固溶强化使其具有较高的硬度和表面强度，其耐磨性和耐热性远优于铁基的，甚至接近钴基合金[5]。碳不能固溶于镍奥氏体中，当合金中含碳量大于0.1%，便会以游离态析出。铬是强的碳化物组成元素，会与析出的碳形成Cr7C3和Cr23C6化合物，可以显著提高合金的硬度和耐磨性。然而Ni,Cr作为重要战略元素，由于价格昂贵使其应用受到一定限制。本文采用双层辉光等离子表面冶金技术在碳钢表面制备Ni-Cr 共渗合金层, 并对其组织形貌、显微硬度和摩擦磨损性能进行了测试分析。以期解决经济性与实用性的矛盾，推进并拓宽Ni-Cr合金的应用范围。

1　实验过程

采用中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的“双辉等离子渗金属炉”进行碳钢表面的镍铬合金共渗。采用光学显微镜(OM)和美国FEI公司QUANTA200型扫描电镜研究渗层的显微组织和形貌，采用HXS-1000A型显微硬度计测量渗层的硬度。

合金层摩擦磨损性能表征采用中国科学院兰州化学物理研究所生产的HT-500微型摩擦磨损试验机。试验在没有任何润滑的条件下进行，相对湿度45%±5%。测试温度为20 ℃±4 ℃。对磨材料为直径3 mm的GCr15球和Si3N4陶瓷球。电机转速560 r/min，回转半径3 mm，载荷150 g，磨损时间15 min。

2　结果与分析

2.1合金层表面形貌

图1为双辉镍铬共渗前后试样表面形貌。普碳钢Q235试样在经过双层辉光离子表面合金化之后其表面形貌发生显著变化，Ni-Cr共渗处理后试样表面光滑平整，呈白亮色金属光泽。由于溅射的Ni、Cr原子的沉积和晶粒的团聚生长使其表面光洁度相对于原始机械抛光镜面有所下降。图1(b)为合金层宏观形貌，表面均匀致密。在1000倍放大时(如图2所示)可观察到浮凸表面形貌，合金层呈颗粒状分布，许多小的胞状物颗粒聚集而成大颗粒，颗粒之间紧密连接，局部团聚在一起形成蘑菇云团。图3为试样截面的SEM照片，可清晰观察到形成了同基体界限分明的合金渗镀层，合金层厚度约12 μm，均匀致密，无明显缺陷。使用能谱仪对渗层截面沿表面向基体的方向进行成分线扫描，Fe，Ni，Cr 元素从表面至基体呈明显的梯度分布[6]。因此该界限并非纯粹的Ni-Cr沉积层与普碳钢之间两种不同材料的界面，而是不同物相间的界面。

图1　试样表面宏观形貌

图2　合金层表面微观形貌(1000X)

图3　合金层截面形貌(5000X)

2.2合金层显微维氏硬度

硬度是材料耐磨性能的重要影响因素之一。一般来说，硬度越高，材料的耐磨性能越好。由于合金层厚度较小，难以在截面对其硬度随元素深度变化的分布趋势进行分析，本课题采用HXS-100A显微维氏硬度计仅对试样表面进行显微维氏硬度测试，加载载荷100 g，保持时间15 s。基体的显微维氏硬度平均为188.6，而合金层由于不同区域的组织结构和物相不同而分布不均，固溶体处硬度值略低，而碳化物析出位置的硬度值相对较高，其表面硬度平均值为362.5。可见Q235钢表面镍铬共渗形成的合金层的显微维氏硬度相对于基体提高了约一倍。一方面合金层表面化合物相具有较高的硬度和强度；另一方面，镍铬原子的渗入也通过固溶作用使表面强化。这种硬度的提高对其耐磨性能的提高非常有利。

2.3摩擦磨损性能

碳钢是常用的工程材料，其工作表面经常处于无润滑环境中，因此本文着重于对渗镀层在干摩擦条件下的摩擦磨损性能进行研究。

2.3.1摩擦系数

图4，5分别为经表面合金化处理的渗后试样和基体与不同对磨材料配副((a) GCr15；(b) Si3N4)时的摩擦系数曲线。结果表明合金层与GCr15对磨时的摩擦系数较低，除跑合阶段外曲线波动较小，摩擦非常平稳。渗层与Si3N4组成摩擦副时，跑合阶段相对于GCr15做摩擦副时明显缩短，在一分钟内即达到稳定磨损状态，而且在跑合阶段其摩擦系数亦平稳增加，没有剧烈波动，说明合金层的表面状态较好。此后摩擦系数维持在约0.8左右，并随着磨损的持续，表面粗糙度的减小而略有下降。

图4　合金层与不同摩擦副作用下的摩擦曲线

图5　基体与不同摩擦副作用下的摩擦曲线

同Q235钢基体相比(如图5所示)，合金层在同GCr15和Si3N4做摩擦副时其摩擦系数均有明显增加，其原因在于双辉技术制备的合金层按照Volmer-Weber[7]生长模式生长，由孤立的晶核逐渐长大为岛状，随着溅射沉积的进行，小岛不断长大，并有新的小岛产生，小岛之间长大融合而成薄膜，因此其表面呈明显的颗粒状形貌，粗糙度较高。另一方面，Ni-Cr合金相对于基体具有较高的硬度，而且Cr与游离的C反应生成的Cr23C6的析出充当了硬质磨粒，镍基基体起到塑韧性支撑体的作用。在此条件下加上一定载荷，摩擦总是发生在一部分接触峰点上，摩擦表面处于弹塑性接触状态，凸起的尖峰相互嵌入，在外载荷作用下主要发生磨粒磨损，产生切削和塑性变形，由于涂层的硬度远高于基体，因此塑性变形和切削作用均更难发生，导致其摩擦系数增加。

2.3.2磨损形貌和磨损量

图6(a)，(b)为合金层分别与GCr15，Si3N4配副时的常温摩擦磨损形貌，由两图可以看出摩擦表面存在明显的梨沟和划痕条纹，沿磨损方向并列排布，合金层发生典型的磨粒磨损。表面梨沟的形成一方面是由于对磨件表面凸起的硬质相形成的磨痕，另一方面是磨损切削导致磨下的碎屑残存在摩擦副两表面之间形成的三体磨损[8]。三体磨损类似于研磨作用，磨粒与材料表面之间的接触应力非常高，因此常使摩擦表面产生塑性变形或者接触疲劳磨损。磨粒磨损的特性直接受对磨件的硬度影响，当磨料硬度低于试件材料硬度时，不产生磨粒磨损或产生轻微磨损，而当磨料硬度超过试件材料硬度以后，磨损量随磨料硬度而增加。GCr15的硬度值远低于Si3N4，因此在摩擦过程中，Si3N4对于对磨件的磨粒磨损切削作用更加明显，磨损量也高于同GCr15对磨的磨损失重(如表1所示)。

基体材料与两对磨件的摩擦形貌如图7所示，基体的磨痕呈沟壑状，深且宽，磨损严重。合金涂层的梨沟明显更浅也更窄，这得益于Ni-Cr合金较好的强度和表面硬度。

图6　合金层与不同摩擦副作用下的摩擦形貌

材料对磨材料载荷/g磨损时间/min磨损失重/g基体GCr15150150.0025基体Si3N4150150.0028合金层GCr15150150.0004合金层Si3N4150150.0006

图7　基体与不同摩擦副作用下的摩擦形貌

摩擦磨损时摩擦力的大小主要受接触面积和材料的变形状态影响，在一定的载荷下，磨损首先发生在一部分凸起的接触峰点上。合金层由颗粒状的表面形貌构成，表面硬度和强度均较高。通过合金层的物相和成分分析[5]可知，合金层元素呈梯度分布，与基体冶金结合，不易破碎剥落，而且有Cr23C6硬质碳化物颗粒的析出，因此其耐磨性相对于基体显著提高，在相同条件下的磨损失重仅为1/4左右(如表1所示)。

理想的耐磨材料组织应当是在塑韧性较好的基体上分布着许多硬颗粒的异质结构。本双辉技术制备的Ni-Cr合金层的耐磨性能的提高即与镍基体起到塑性支撑的作用而析出的硬质化合物充当了承担载荷的尖峰密切相关。在正常载荷作用下，主要由突出在摩擦表面的硬质相直接承受载荷，发生接触和滑动摩擦，基体软相起到支撑作用，由于主要是硬质相发生接触和相对滑动，因此磨损量很低。又由于硬质相被支持在软基体之上，易于变形而不至于擦伤相互摩擦的表面，同时软基体还可以使硬质相上压力分布均匀，当载荷增加时，承受压力增大的硬质颗粒陷入基体中，将使得更多的硬颗粒承载而达到载荷均匀分布。

3　结　论

(1)通过双层辉光等离子表面合金化技术可在碳钢表面制备Ni-Cr共渗合金层，合金层均匀致密，无孔洞、裂纹等缺陷，合金层表面呈颗粒状，且结聚成团。

(2)合金层表面显微维氏硬度相对于基体提高了约一倍。

(3)合金层耐磨性能提高明显，得益于较高的硬度和表面强度，Ni-Cr涂层的磨损失重相对基体降低了约4倍。

[1]温诗铸, 黄平. 摩擦学原理[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002.

[2]郦振声, 杨明安. 现代表面工程技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.

[3]Skulev H, Malinov S, Sha W, et al. Microstructure and mechanical properties of nickel-base plasma sprayed coatings on steel and cast iron substrate[J]. Surface & Coating Technology, 2005,197:177—184.

[4]苏义祥, 廖乃飞, 侯凤刚, 等.新型碲镍铬合金粉末材料显微组织分析[J]. 兰州理工大学学报,2010,36(6):1—4.

[5]罗勋, 宣天鹏. 镍基合金耐磨镀覆层的研究现状及进展[J]. 电镀与环保, 2007,27(3):8—11.

[6]朱晓林, 姚正军,包卫军,等. Q235 钢双辉镍铬共渗层的组织结构和耐蚀性能[J]. 南京大学学报(自然科学),2009,45(2):223—229.

[7]谢致薇, 李瑜煜, 礼樵, 等. 多弧离子沉积(TiFeCr)N多元膜[J]. 金属热处理, 1998， (9): 3—5.

[8]Wang Y, Qian Z, Li X Y, et al. Sliding wear properties of TiAl alloys with/without TiN coatings[J], Surface and Coatings Technology, 1997，(91): 37—42.

2016-01-28

朱晓林(1983—)，男，工程师。E-mail:gjgcsc@163.com

TG115.5+8