1 前言铸铁价格低廉 ,综合机械性能良好 ,在汽车、拖拉机、农业机械和机床等行业应用广泛。铸铁齿轮的主要失效形式之一是接触疲劳破坏 (疲劳点蚀 )。本文研究在铸铁齿轮表面涂镀Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金层 ,以提高其接触疲劳强度 ;同时研究了合金涂层的组织结构和性能。这类研究目前尚未见有报导 ,因此进行这一研究具有较大的实际意义。2 试件、试验设备及试验条件本文采用常见的用两个圆柱辊子对滚代替齿轮啮合的模拟试验方法。辊子试件的主要参数为 :外径5 0ｍｍ ,内径 32ｍｍ ,接触厚度 6ｍｍ。试验辊子的材料为灰铸铁ＨＴ2 5 0 ,成分见表 1。表 1 灰铸铁ＨＴ2 50试件材料成分元素ＣＳｉＭｎＰＳ成分 % 3 .1 6 1 .80 0 .790 .0 4 6 0 .0 4 6所有试验辊子表面均涂镀Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金层 ,厚度为 8μｍ。试验设备为ＪＰ -ＢＤ15 0 0型接触疲劳试验机。一般情况下 ,标准齿轮的疲劳点蚀位置大都在节圆以下0 .3ｍｍ处<1> 。因此 ,选取辊子滑差率为 10 % ;陪试件转速为 2 0 0 0ｒ/ｍｉｎ ,试验件转速为 180 0ｒ/ｍｉｎ。辊子试件采用Ｎ10 0号机械油润滑 ,齿轮箱采用Ｎ6 8号机械油润滑 ,油温控制在 4 0℃左右。选取两个应力水平进行试验 ,即高应力水平б2 和低应力水平б1。低应力水平的选择原则为略高于ＧＢ3480中给出的相应材料的接触疲劳强度极限。辊子试件应力参数见表 2。试验终止条件为试验机的自动停机 ,即为辊子产生点蚀后所引起的振动程度为失效判据。这样能综合反映点蚀坑的大小 (面积 )和个数 ,与实际齿轮失效状态较接近。表 2 试件应力参数及试件数编号涂层种类热处理试件数 (对 )б1 =630Ｎ/ｍｍ2 б2 =890Ｎ/ｍｍ20未涂镀未热处理 5 51Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ层未热处理 5 52Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ层热处理 5 53 试验结果和分析3.1 接触疲劳寿命采用累积分布函数为Ｆ(ｎ) =1-ｅ- ( Ｎ -Ｎ0Ｎａ-Ｎ0) β,Ｎ0 <Ｎ <∞的二参数威布尔分布处理试验数据 ,结果见表 3。取失效概率 10 %的接触疲劳寿命评定涂镀合金层的接触疲劳寿命性能。由表 3可知 ,灰铸铁辊子试件经涂镀Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金层后 ,其接触疲劳寿命明显提高。涂镀Ｎｉ -Ｐ -Ｃｏ合金层可提高接触疲劳寿命1.0 11～ 1.4 14倍 ;涂镀Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金层且在加热到4 5 0℃保温一小时后进行空气冷却则可提高 1.31～1.38倍。3.2 б -Ｎ曲线为了直观地对比灰铸铁辊子试件涂镀Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金层后的抗疲劳性能 ,图 1给出了其应力平均寿命(б -Ｎ)曲线。图 1中 ,0为无涂层试件 ,1为Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层试件 ,2为Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层且在 4 5 0℃保温一小时后空气冷却的试件。若取循环次数为 3×10 5,则Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层试件与无涂层试件的极限应力之比为 1.175 ,即接触疲劳许用应力提高了17.5 % ,而Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层且在 4 5 0℃保温一小时后空气冷却的试件为 1.2 2 8,即接触疲劳许用应力提高了 2 2 .8%。表 3 灰铸铁ＨＴ2 50辊子试件的接触疲劳寿命代号ｎ1 -ｎ2应力状况Ｎ/ｍｍ2寿命× 1 0 5Ｆ(Ｎ) =0 .1Ｆ(Ｎ) =0 .5 Ｎ1 - 01 - 11 - 2б1 =6301 .8492 .672 3 .0 722 .42 2 3 .555 3 .5302 .61 5 3 .82 83 .81 02 - 02 - 12 - 2б2 =8900 .6481 .0 81 1 .0 770 .655 1 .5781 .5960 .8941 .72 6 1 .72 9代号ｎ1 -ｎ2斜率α相关系数γ寿命比Ｎｉ/Ｎ0Ｆ(Ｎ) =0 .1Ｆ(Ｎ) =0 .5 Ｎ1 - 0 5 .1 2 3 0 .980 1 .0 0 1 .0 0 1 .0 01 - 1 6 .1 32 0 .986 1 .41 4 1 .331 1 .1 4 91 - 2 4 .1 1 6 0 .987 1 .31 0 1 .433 1 .2 4 02 - 0 3 .680 0 .9481 .0 0 1 .0 0 1 .0 02 - 1 2 .1 4 3 0 .964 1 .0 1 1 1 .460 1 .4822 - 2 2 .865 0 .9841 .380 1 .5971 .60 5 注 :表中代号ｎ1 为试件组号 ,ｎ2 为涂层种类 ,即 0为未涂镀 ,1为Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ涂层 ,2为Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ涂层且在 450℃
热处理。图 1 有无合金涂层试件的б -Ｎ曲线4 合金涂层的组织结构和性能4 .1 表面形貌分析电子显微镜下的灰铸铁ＨＴ2 5 0基体表面的Ｎｉ-Ｐ-Ｃｏ合金涂层表面形貌为堆砌均匀致密的胞状物 ,其胞状结构沿三维方向生长 ,胞状颗粒较均匀 ,平面厚度有起伏 ,在基体表面形成一层致密的保护层 (见图 2 )。4 .2 涂层次表面组织由Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层横截面组织金相照片 (图3)上可见合金涂层的次表面金相组织特征为一系列杂乱分布的同心圆形条纹 ,较大的同心环中还包络着数个小同心圆环 ,沉积层由核心向外长大 ,直至两个以上沉积单元相互干涉时 ,同心环失去圆形。由于沉积Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金层的晶粒细小 ,光学金相显微镜下根本观察不到晶界 ,因此镀态下的各种金相组织是由无数个微晶组成的“晶团” ,而不是晶粒的形态。图 2 Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层的表面形貌二次电子像 图 3 Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层的次表面组织金相照片 4 %硝酸酒精 50 0×4 .3 涂层的纵剖面界面组织图 4 Ｎｉ -Ｐ -Ｃｏ合金层的纵剖面金相照片 4 %硝酸酒精 50 0×图 4为Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层的纵剖面组织金相照片 ,白色带右面为灰铸铁的原始组织(铁素体 +珠光体 +石墨 ) ,白色带为合金涂层。由于合金涂层在 4 %硝酸酒精中不被浸蚀 ,在金相显微镜下显示为白色 ,白色带左边的黑色物质是制作金相试件用的胶木粉。图上的菱形压痕为显微硬度压痕。4 .4 表面粗糙度在 2 2 - 0 1型表面光洁度测量仪上测出Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层的表面粗糙度曲线(图 5 )。涂镀前表面粗糙度Ｒａ =6 .4 μｍ ,涂镀后为Ｒａ=3.0 5 μｍ ,表面粗糙度降低约 5 2 % ,表明在零件表面粗糙度较大时 ,合金涂层可降低试件的表面粗糙度。4 .5 合金涂层的硬度用国产 71型显微硬度计在Ｎｉ -Ｐ -Ｃｏ合金涂层纵剖面打硬度 ,测试结果见温度—显微硬度曲线 (图6 )。由图 6可见 ,在 4 0 0℃～ 5 0 0℃温度范围内热处理使合金涂层结构产生变化 ,即在此温度范围内合金涂层中的Ｐ产生偏聚富集 ,与Ｎｉ生成Ｎｉ3Ｐ ,合金涂层为Ｎｉ和Ｎｉ3Ｐ的混合物 ,涂层硬度提高 ,4 5 0℃时显微硬度达到最大值 110 9ＨＶ50ｇ。合金涂层显微硬度得到提高的主要原因是 (1)由于Ｐ和Ｃｏ的存在 ,Ｎｉ晶格产生严重畸变 ,使涂层晶粒细小 ,硬度提高 ;(2 )合金涂层是一种在基体表面的合金电沉积的过程 ,其结构为相互挤压的密集的堆砌结构 ,晶胞尺寸小 ,晶粒排列不规则 ,晶界处变形阻力大于内部的变形阻力 ,使具有超细晶粒的合金涂层具有很高的硬度 ;(3)合金涂层吸附的各种非金属杂质存在于晶格中和晶格边缘上 ,增大晶格变形和晶格缺陷 ,同时合金涂层和基体金属材料的不同晶格使涂层产生较大的微观应力和宏观应力 ,使晶格严重扭曲 ,位错密度增加 ,涂层硬度提高。图 5 Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层的表面粗糙度曲线图 6 Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层温度 -显微硬度关系图 7 Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层能谱分析4 .6 涂层成分分析采用电子显微镜对基体为灰铸铁ＨＴ2 5 0的Ｎｉ-Ｐ-Ｃｏ合金涂层进行能谱分析。得出合金涂层中各测试点的合金元素成分含量为 :1(2 .0 9%Ｐ、9.88%Ｃｏ、88.0 3%Ｎｉ)、2 (3.4 3%Ｐ、9.83%Ｃｏ、86 .74 %Ｎｉ)、4 (1.6 9%Ｐ、9.85 %Ｃｏ、88.4 6 %Ｎｉ)、5 (4.5 8%Ｆｅ、95 .4 2 %Ｎｉ)。Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层中以Ｎｉ为主要元素。4 .7 涂层的Ｘ射线衍射分析图 7为试件表面Ｎｉ -Ｐ -Ｃｏ合金层Ｘ射线衍射图 ,由图中可见在衍射角 2θ≈ 4 3°处有一衍射峰 ,其上部较尖锐 ,慢慢向两边宽化 ,为晶体衍射特征 ,故涂层为晶体结构。由于Ｎｉ、Ｐ、Ｃｏ的原子半径ｒ >1.0Ａ。,Ｃｏ和Ｐ只能以置换的方式进入Ｎｉ晶格中 ,即置换晶格中的Ｎｉ原子成为置换固溶体 ,故Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ三元合金是以Ｎｉ为溶剂 ,Ｃｏ和Ｐ为溶质的固溶体 ,仍保持金属Ｎｉ的面心立方晶型。图 8 Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层的Ｘ射线衍射图由于衍射角变小 ,Ｃｏ和Ｐ的参与 ,使晶面间距变大 ,引起Ｎｉ的晶格产生畸变 ;由于衍射宽度变大 ,Ｃｏ和Ｐ原子的固溶 ,晶胞尺寸变小 ,起到细化晶粒的作用。5 Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层与灰铸铁基体结合机理 Ｎｉ-Ｐ -Ｃｏ合金涂层与灰铸铁基体的结合机理主要是金属键的连接和扩散连接。5 .1 金属键连接图 4所示为在光学显微镜下观察到的合金涂层与基体界面之间的结合面是紧密连接在一起的 ,不能分辨出涂层与基体金属之间的距离。图 9为常温下合金涂层与基体界面的结合 ,在 35 0 0倍的电子显微镜下仍然分辨不出涂层与基体金属表面的距离 ,图中的白色组织为合金涂层向灰铸铁
More abstracts about the 表面合金涂层提高铸铁齿轮的接触疲劳强度研究