电压对低碳钢表面液相等离子体电解碳氮共渗层的摩擦学性能影响

2020-08-03张蓬予朱新河付景国马春生马圣林

科学技术与工程 2020年20期

张蓬予，朱新河，付景国，马春生，马圣林，刘建

(大连海事大学轮机工程学院,大连 116026)

低碳钢因其韧性、强度高、低成本、易加工等优点,在国防、制造等行业中被广泛使用,但又因表面磨损及腐蚀失效等劣势,限制了其使用及推广[1-3]。为了降低材料因磨损造成的损失,一般采用热喷涂[4]、电镀[5]、激光熔覆[6]、渗碳渗氮等处理方式提高材料耐磨性能。气体渗、离子渗等方法都属于传统的渗碳、渗氮以及碳氮共渗工艺,此类方法生产效率低，而且因为受热严重,工件容易发生形变,能耗也比较高[7-9]。基于微弧氧化的液相等离子体电解渗透是一种较新的表面改性技术,通过将工件放置在特定的电解液中来执行,整个工件受热轻微,很短时间即可获得高硬度、耐磨和耐腐蚀的渗透层[10-14]。

Nie等[15]采用直流电源对316不锈钢进行碳氮共渗,渗层摩擦系数及磨损率均明显降低,耐腐蚀性能显著提高；Yerokhin等[16]研究了碳氮共渗层的微观结构、机械性能和摩擦学性能,结果表明渗层在摩擦磨损测试中,摩擦系数及磨损率均明显降低；Shen等[17]将Q235在乙醇胺体系电解液中进行等离子电解碳氮共渗处理,获得70 μm厚的渗层,最高硬度可达750 HV,是基材的4.5倍,试样的耐磨性也有明显提高；马颖等[18]在45钢表面实现了以渗碳为主的碳氮共渗,获得表面改性层,硬度高达480 HV,为基体的1.5倍；杨群等[19]在40Cr钢表面经10 min碳氮共渗获得了厚度为38 μm的渗层,表面为多孔形貌,观察截面微观结构可以看出渗层由一层过渡层和两层白亮层组成,显微硬度最高可达650 HV,而且试样的腐蚀速率远小于基体。贺绍杰等[20]采用乙醇胺-氯化铵体系电解液,在42CrMo钢表面进行碳氮共渗处理,获得了厚度为60 μm的渗层,硬度可达到537HV,是基体硬度的2倍左右。目前在对钢表面进行液态等离子体碳氮共渗的研究中,获得的渗透层的厚度低,而且尽管硬度增加,但是渗层的耐磨性并不令人满意。

综上所述,在考虑渗透层厚度、硬度和耐磨性的基础上,采用液相等离子体电解渗透法对低碳钢进行处理,得到不同施加电压下的渗透层。根据渗层的形貌和硬度分析,用球盘摩擦磨损试验仪对渗层的摩擦磨损性能进行了测试,获得了较好的耐磨性。

1 试验

1.1 渗层制备

将试验所用低碳钢板材切成100 mm×10 mm×2 mm的薄片试样,其化学成分如表1所示。试样经砂纸打磨、超声清洗后放入电解液中进行液相等离子体碳氮共渗处理,试样作为阴极,不锈钢容器作阳极。电源采用WHD-20多功能双极性交变脉冲电源,选择甘油为碳源,尿素溶液为碳氮源,电解液为甘油和尿素溶液体积比1∶1的混合溶液,甘油分析纯AR,尿素浓度300 g/L,并添加少量氯化钠作为导电剂调节电解液的导电率,实验溶液体积为1 L。电参数为频率100 Hz,占空比80%,放电时间5 min,电压分别为320、330、340、350、360 V。处理完毕后,试样表面超声清洗、吹干并保存备用。

表1 试样化学成分Table 1 The chemical composition of the sample

1.2 摩擦磨损试验

采用CFT-1球盘式摩擦磨损试验机对试样的表面摩擦磨损性能进行检测,结构简图如图1所示。其中试样作为下表面,对磨偶件为GCr15轴承钢球(直径为4 mm,硬度为720 HV),试验在干摩擦条件下进行,加载力为10 N,转速为400 r/min,滑移距离为5 mm。

图1 摩擦磨损实验机示意图Fig.1 Schematic diagram of ball-disc reciprocating tribometer

1.3 渗层性能评价

用场发射扫描电子显微镜和能谱仪(OXFORD)观察并分析样品的表面、截面形貌和成分组成。用显微硬度计测量样品的表面显微硬度。用三维共聚焦显微镜(OLYMPUS-OLS3100)测量摩擦磨损试验后样品的截面轮廓。通过X射线衍射(X-rag diffraction, XRD)分析测量样品的相组成。

2 结果及分析

2.1 碳氮共渗层的表面形貌

图2所示为低碳钢基体经不同电压处理后样品表面的形貌。从图2中可以看出,在电压较低时,碳氮共渗渗层表面呈现较多的球状凸起、凹坑和小孔；随着电压的逐渐升高,球状物和凹坑逐渐减少,这些球凸起、凹坑和小孔是由强烈等离子体放电刻蚀、气泡轰击作用导致形成,小孔是等离子体放电形成的通道,被击穿形成孔洞的表面在等离子体的连续轰击下发生微区熔化,形成球凸起和凹坑。分析认为低压时电势差较低,试样表面放电不均匀,所以球状物和凹坑较多,随着电压升高,电势差逐渐增加,在样品最外层与基体元素形成的碳化物和氧化物也越来越多,逐渐将放电通道封死,表面放电逐渐均匀致密,电弧越来越小,孔洞越来越少。

图2 不同电压下试样的表面形貌Fig.2 The surface SEM morphologies of samples at different voltage

图3所示为低碳钢基体在不同电压处理后样品的截面形貌。图3中可以明显地观测到渗透层厚度均匀,并且随着电压的增加。渗透层的厚度逐渐增加,另外,从截面中还可以看出,截面由渗层和一层较薄的表面氧化层组成,过渡渗层均匀致密,表面氧化层粗糙不平整,探究其原因,应该是由于反应过程中高压条件下试样表面温度过高而后在电解液中淬火导致。电压为320 V时渗层厚度只有26.9 μm,350 V达到极大值130.24 μm。当电压上升到360 V后,膜层厚度增加不明显,且有小幅度下降。与文献[17]相比,厚度约提升了86%。

图3 不同电压下试样的截面形貌Fig.3 The cross-section SEM of samples at different voltage

2.2 碳氮共渗层的硬度分析

为进一步分析渗透层的性能,对渗透层的表面硬度进行分析,结果如图4所示。从图4中可以看出,基体表面硬度仅为250～310 HV,经碳氮共渗处理之后硬度大幅度提高,随着施加电压的提升硬度也随之上升,但是350 V之后硬度提升不再明显,最高硬度为846.7 HV,接近基体硬度的3倍。

图4 试样的显微硬度变化曲线Fig.4 Micro-hardness curves of different samples

2.3 摩擦磨损试验结果

图5所示为基体及经不同电压处理后试样的摩擦系数曲线。从图5中可以看出,低碳钢基体的初始摩擦系数为0.4,并随摩擦时间的增加呈现一直上升的趋势,最终上升至1.7；而经320 V电压处理后试样的初始摩擦系数仅为0.2,但迅速上升至1.0,并在450 s后迅速下降至0.6,之后再呈现一直上升的趋势。分析认为由于低碳钢处理后表面球状物的存在,使得摩擦初始阶段接触面积小,摩擦系数低,但随着试验的进行,球状物对钢球产生了切削作用,使得摩擦系数迅速上升。另外,由于渗透层的厚度较薄,在经450 s后,渗透层被破坏,钢球开始与基体接触,摩擦系数开始迅速下降,并呈现与基体相似的趋势；经330、340、350、360 V处理试样的摩擦系数呈现相似的趋势,初始摩擦系数较低,并迅速上升至一种稳定状态,说明渗透层相对较厚,经摩擦磨损试验后,渗层并未发生破坏；其中经330 V处理的渗层摩擦系数稳定在1.0左右,经350 V处理的渗透层稳定摩擦系数最小,约为0.65,与基体相比,摩擦系数约降低了169%。

图5 试样摩擦磨损实验过程中的摩擦系数Fig.5 Friction coefficient of different samples

图6所示为试样摩擦试验后磨痕表面形貌及轮廓图。从图6中可以看出,试样磨痕表面呈现显微切削或犁削后留下的切削或犁削的沟壑以及少量的较浅的疲劳剥落坑形态,基体磨痕深度为82.23 μm,350 V条件下处理的渗层磨痕最浅,深度为14.79 μm,与基体相比,磨痕深度降低了82%。

图6 试样摩擦磨损实验后的表面磨痕和二维截面轮廓图Fig.6 The wear scar diameter and wear scar profile of samples after wear test

3 讨论

3.1 碳氮共渗层的能谱分析

为探讨渗透层的耐磨机理,对渗透层的截面进行能谱分析,结果如图7所示。从图7中可以看出,经过等离子体表面处理后,表层Fe元素含量逐渐减少,而C、N和O元素的含量逐渐增加。并且随着施加电压的增加,其含量变化更加明显,而且元素N的变化趋势明显强于元素C,表明碳氮共渗的过程中是以渗氮为主。渗透层中O元素的含量高可能是由于电解液中的水在高温下分解引起的。

图7 试样截面元素分布Fig.7 Distribution of elements in the cross-section of different samples

3.2 碳氮共渗层的物相分析

对渗透层表面进行XRD分析,结果如图8所示。由图8可知,经过碳氮共渗处理,基体的表面生成Fe的碳化物及氮化物。而且随着处理电压的提高,α-Fe逐渐向γ-Fe转变。铁氮化合物的主要衍射峰强度逐渐增加,杂峰中Fe/N原子比例先降低后增加,从330 V中的FeN0.056,到340 V和350 V中的Fe2N和FeN0.088,再到360 V中的FeN0.076,以Fe3C和Fe5C2为主的铁碳化合物衍射峰一直存在,其中Fe3C的峰呈下降趋势,Fe5C2的峰逐渐增强,说明化合物中Fe/C的原子比呈下降趋势。因此,碳氮共渗处理后C、N元素通过扩散进入Fe的晶格中形成含C、N的固溶体,超过饱和度后,铁碳化合物和铁氮化合物将继续形成,渗层由铁碳化合物和铁氮化合物组成,也再次表明反应过程以渗氮为主。