作为旋转滑片式压缩机的滑片在压缩机中起到调节流量的作用,需要有很高的抗蚀和耐磨性<1,2 >。因滑片的抗蚀性要求,常选用不锈钢材料,但须通过表面处理来提高其耐磨性。可采用的表面 处理方法有气体氮化、离子氮化、QPQ复合处理、PVD等表面处理,对于象滑片这样的薄小零 件,PVD法成本较高<3～6>。经氮化处理后的试样表面层同样具有高的抗蚀、耐磨性<6, 7>。本文对选用的不锈钢材料进行了不同的氮化处理,比较研究了气体氮化、盐浴氮化和离子氮 化工艺对该不锈钢材料摩擦学性能的影响。1实验材料及方法1.1预处理滑片材料选用马氏体不锈钢9Cr18,试样尺寸为10mm×10 mm×10 mm。因滑片在淬火回火后还需进行氮化处理,所以采用高温回火工艺,即1 050℃淬油+600℃×2 h油冷,淬火和回火后试样硬度45 HRC。1.2氮化处理氮化处理可分气体氮化、盐浴氮化和离子氮化。气体氮化的气氛采用氨气,渗氮前进行除钝化膜处理,氮化工艺为570℃×8 h等温渗氮;盐浴氮化采用无毒软氮化工艺,工艺为570℃×4 h;离子氮化工艺为570℃×15 h。1.3摩擦磨损试验经过这三种氮化工艺处理和未经氮化的试样进行了摩擦磨损对比试验。试验在MM-200磨损实验机上进行,试验机的最大负荷为200 kg,负荷测量范围0～30;30～200 kg,下试样轴转速为200 r/min。根据滑片的工作原理,采用滑动摩擦,上试样尺寸为10 mm×10 mm×10 mm,下试样为圆环状45钢,外径40mm,厚12mm,硬度55 HRC。取不同处理工艺的试样各三个测试其耐磨性能。每个试样的试验时间为240 min。试验前先将试样洗净、烘干,并称重,加载15 kg,每隔40 min将试样取下清洗干净称重三次,取平均值。另外,试验前后对下试样的外径进行测量,并记录。为了研究载荷对磨损量的影响,取经气体渗氮和盐浴渗氮的试样,分别在3、8、15、20kg下磨损160 min,用磨损前后度量之差来表示磨损量。同时,也为了对试样在各个载荷下磨损的不同时间段的磨损量做出研究,在试验过程中也采取每隔40 min称重一次的方法。为了对三种工艺在渗氮过程中产生的白亮层的性能作对比研究,设计了如下 试验方法:各取同样处理工艺的试样三个,对于一种处理工艺的试样,先清洗干净,称出初始质量,然后加载15kg,磨损2 h,在磨损过程中,开始50 min每隔5 min记录一次摩擦力矩,以后每10 min记录一次。磨损结束后清洗干净烘干称重。2试验结果及分析2.1渗层组织及硬度经不同氮 化工艺处理后渗层组织见图1;氮化层硬度梯度如图2。气体氮化处理的渗层用金相法测得渗层厚度为0.11mm,表面的白亮层非a b c图1不同氮化工艺渗层组织(a-气体氮化;b-盐浴氮化;c-离子氮化)×200常明显,约7 um,而其扩散层则有明显的疏松。盐浴氮化渗层金相法测得渗层厚度为0.04 mm,表面的白亮层约3 um。离子氮化渗层金相法测得渗层厚度为0.10 mm,表面无白亮层。2.2不同处理工艺对磨损量及磨损形貌的影响图3为在不同阶段的磨损质量 损失对比图。在所有试样中,淬火+回火处理的试样的磨损质量损失最大,离子渗氮的最小;在三 种渗氮处理的试样中,离子渗氮的磨损质量损失最小,气体渗氮的最大;同时可看到淬火+回火处 理工艺的试样的磨损质量损失随着时间的推移而增大,这可能有两方面的原因,其一,上下试样随 着磨损质量损失的增加接触面积增加,磨损质量损失增加:其二,随着试样进一步深入接触,磨损 面散热变得困难,磨损表面温度提高,在高温下,试样氧化更加厉害。这从磨损面上的氧化坑中可以得出结论。在三种渗氮处理的试样中,以气体渗氮处理试样的耐磨性最差。这主要体现在开始阶段的120min里,在该阶段,气体渗氮试样的磨损质量损失大大超过其他试样。观察其渗氮层(图1a)发 现,气体渗氮处理的渗氮层表面的白亮层非常明显,而其扩散层则有明显的疏松。分析原因,在磨 损的开始阶段,由于所加载荷较大,切向应力很大,表面硬度很高的白亮层和中间疏松的扩散层很 快分离,而扩散层由于组织不致密,在较大载荷下耐磨性能较差,也急剧磨损,这就导致了开始阶 段的较大的磨损质量损失。磨损到过渡区时,磨损质量损失就大大减小。盐浴渗氮和离子渗氮试样的磨损质量损失都很稳定,从二者渗层的微观金相图中可以看出,渗气体氮化盐浴氮化离子氮化040 80 120 160 200距表面深度/!m图2不同氮化工艺处理后的硬度50.0HV1600120080040 00离子氮化图3在不同时间阶段不同处理工艺的磨损质量损失《热加工工艺》2006年第35卷第12期磨损质量损失/mg7淬火+回火气体氮化盐浴氮化65432104080 120 160 200 240min层组织相对比较致密。但从整体来讲,盐浴渗氮试样的耐磨性没有离子渗氮试样的好, 从图3中可以看出,盐浴渗氮试样的磨损质量损失在整个磨损时间内都大于离子渗氮的。从渗层的 厚度来看,盐浴渗氮的渗层较薄,硬度梯度较大,这样的渗层容易导致试样在磨损时产生剥落,我 们在盐浴渗氮试样的磨损面上很容易看到大块剥落区(如图4)。剥落图4盐浴氮化试样表面磨损 形貌在观察离子渗氮试样的磨损面形貌时我们发现,与盐浴渗氮试样的磨损面一样,离子渗氮试样 的磨损面上也有一些块状剥落区,但由于离子渗氮试样渗层的硬度梯度没有盐浴渗氮试样的大,其 表面也没有显微裂纹,因而剥落区比盐浴试样的要小,这种小的剥落坑不仅没有加剧试样的磨损, 反而由于在其中塞积了许多磨损过程中产生的磨屑把上下试样隔离开来,避免了上下试样的直接接 触,这就大大减少了试样的磨损质量损失。图5(a)为离子渗氮试样的磨损面微观形貌图,图5(b)中黑色云絮状物为塞积物。020 40 60 80时间/min图7氧化物对离子氮化摩擦磨损性能影响2.5不同处理工艺对摩擦系数的影响在研究了几种试样耐磨性能之后,实验测试了试样在不同磨损阶段的摩擦系数。试验时间为200min,载荷为20 kg,试验前后清洗试样烘干并称重,试验时前90 min每隔5 min记录一次摩擦《热加工工艺》2006年第35卷第12期数系擦摩0.060.050.040.03不去氧化物去氧化物气体氮体盐浴氮化0 3 8 15 20加载/kg图6磨损质量损失与载荷的关系2.4磨损过程中产生的氧化物对磨损的影响研究发 现,随着试验的进行,有大量的红色氧化物生成。取离子渗氮的试样作为研究对象,其中一个试样 在磨损过程中不采用任何措施,而另外一个试样在磨损过程中用金相砂纸轻轻挨在下试样表面,擦除掉试验过程中的红色氧化物。试验时间为2h,试验前后分别称重,试验中的摩擦力矩,前1 h每5 min记录一次,后1 h每10 min记录一次。图7为离子渗氮试样在磨损过程中去除氧化物与不去除氧化物的摩擦系数对比曲线 。可以看出,在磨损过程中去除了氧化物的试样的摩擦系数低,而未经处理的试样的要高一些。但是比较两种情况下的磨损质量损失,不去氧化物的试样为0.4mg,去掉氧化物的试样为8.2mg,说明氧化物的存在可以减少磨损质量损失,分析原因是去除摩擦副之间的氧化物后,试样之间 发生直接接触并由此引起剥落等其他形式的磨损方式,这远比由氧化物引起的磨粒磨损大。磨87 gm6/5失损4量3质2损1剥落图5离子氮化试样表面磨损形貌2.3载荷对磨损质量损失的 影响图6为气体渗氮和盐浴渗氮试样的磨损质量损失随着载荷的变化曲线。可看出,磨损质量损失 是随着载荷的增加而增加的。气体渗氮的试样的磨损质量损失随载荷的增加比较平稳,盐浴渗氮的试样在3～8kg时增加比较快,而在15～20 kg时磨损质量损失基本不变;在20 kg时两种试样的磨损质量损失都有减小的趋势。絮状塞积物(a)(b)《热加工工艺》2006年第35卷第12期力矩,以后每隔10 min记录一次。图8为摩擦系数随时间的变化关系曲线。可看出,各种渗氮处理的摩擦系数随时间的变化有较大的区别。在摩擦开始阶段(0￣25 min),盐浴氮化表面摩擦系数最高,气体氮化次之,离子氮化最低,出现这种情况的原因可能与 试样表面状态、表面层的致密度有关。离子氮化表面层致密,所以在初始磨合阶段摩擦系数比较低。在磨损的中期(25￣60min),气体氮化试样的摩擦系数有急剧的变化,可能是由于表面疏松层被磨去后,已至硬度较高 的过渡层,所以摩擦系数降低。之后,各试样的摩擦系数进入了相对稳定的阶段,在该阶段,各处 理工艺试样的摩擦系数区别不是很大。3结论(1)三种氮化工艺中,盐浴渗氮和离子渗氮试样的 磨损质量损失都很稳定,离子氮化由于渗层致密,渗层较深,硬度梯度过渡平缓,所以耐磨性最优 。(2)磨损质量损失随着载荷的增加而增加,几种氮化工艺的增加趋势不同,盐浴氮化试样磨损 质量损失随载荷的增加趋势较气体氮化慢。(3)离子渗氮试样白亮层性能最优异,具有降低摩擦 系数的作用,而气体渗氮白亮层耐磨性能较差;离子渗氮后的试样在磨损过程中产生的氧化物可以 减少试样的磨损。氮化对9Cr18摩擦学特性的影响@徐雪波$宁波工程学院材料工艺研究所!浙江宁波315016
@徐金富$宁波工程学院材料工艺研究所!浙江宁波315016
@鲍明东$宁波工程学院材料工艺研究所!浙江宁波315016,西安交通大学金属强度国家重点 实验室,陕西西安710049设计了多种摩擦磨损试验方案,针对不同氮化工艺对9Cr18的 摩擦学性能的影响进行了系统的研究。结果表明,离子氮化后的试样具有最优的综合摩擦学性能, 气体氮化最差。试验还发现,在不同载荷条件下,几种氮化处理工艺对耐磨性的影响过程各不相同。离子氮化试样在磨损过程中产生的氧化物对减轻磨损有积极
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