離子注入對(duì)Cr4Mo4V軸承鋼摩擦學(xué)性能的影響

李文忠,劉振宇,張少波

(1.河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,河北石家莊 050018;2.保定科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,河北保定 071000)

離子注入對(duì)Cr4Mo4V軸承鋼摩擦學(xué)性能的影響

李文忠1,劉振宇1,張少波2

(1.河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,河北石家莊 050018;2.保定科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系,河北保定 071000)

在Cr4Mo4V軸承鋼表面等離子體浸沒(méi)注入(PIII)了氮離子(N+)、類金剛石(DLC)、碳化鈦(TiC),測(cè)量了處理前后試樣表面的顯微硬度,在干摩擦條件下進(jìn)行了與Si3N4陶瓷球?qū)δサ哪Σ翆W(xué)實(shí)驗(yàn),通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察了磨損表面形貌,分析了磨損機(jī)理。結(jié)果表明:離子注入后顯微硬度明顯增大,注入 TiC的試樣增幅最大,達(dá)到54.7%;注入 TiC的試樣摩擦系數(shù)下降到約0.2,最小磨痕寬度減小了50%;未處理和注入N+試樣的磨損機(jī)理主要以粘著磨損為主,但注入N+試樣磨損程度有所減輕;注入DLC和 TiC的試樣主要磨損機(jī)理以疲勞磨損為主;離子注入 TiC表面改性的表面綜合性能最好,其次為注入DLC、注入N+。

表面改性;Cr4Mo4V;離子浸沒(méi)注入與沉積;摩擦學(xué)性能

目前普通的軸承所能承受的接觸應(yīng)力為2.0 GPa左右,隨著需求的不斷提高,有些軸承的接觸應(yīng)力要達(dá)到2.5 GPa,甚至要達(dá)到2.8 GPa,未來(lái)軸承發(fā)展方向是要求承受接觸應(yīng)力3.2 GPa,而在高應(yīng)力作用下工作的軸承失效速度非?？臁ＪХ治霰砻?軸承失效主要發(fā)生在其工作表面和次表面層,因而應(yīng)用現(xiàn)代表面改性技術(shù)強(qiáng)化工作表面,對(duì)提高軸承使用壽命和可靠性將具有重要的意義。

Cr4Mo4V(ASTM牌號(hào)M 50)是一種應(yīng)用廣泛的高溫軸承鋼,主要用來(lái)制作高溫高速重載工況下工作的軸承,如航空航天軸承和其他耐高溫軸承。這類軸承工況非常惡劣,還要求其必須具有長(zhǎng)壽命和高的精度,此時(shí)軸承的表面強(qiáng)化顯得越來(lái)越重要。長(zhǎng)期以來(lái),關(guān)于提高軸承鋼磨損和耐腐蝕的表面改性方法,科研人員進(jìn)行了很多研究[1-3],而等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)克服了傳統(tǒng)束線離子注入的限制和保持劑量問(wèn)題,因而能處理形如軸承內(nèi)外套圈這樣具有復(fù)雜形狀的零件,在軸承表面改性方面具有廣泛的應(yīng)用前景[4-8]。筆者對(duì)Cr4Mo4V軸承鋼進(jìn)行了不同等離子體浸沒(méi)離子注入處理,研究了表面處理對(duì)Cr4Mo4V鋼表面顯微硬度、摩擦磨損特性的影響,為Cr4Mo4V軸承的表面強(qiáng)化處理奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為Cr4Mo4V軸承鋼,化學(xué)成分見(jiàn)表1,熱處理狀態(tài)為(1 110±5)℃,保溫15～20 min,淬火;預(yù)熱溫度860℃,530℃回火3次,每次2 h,金相組織為回火馬氏體,表面硬度大于724 HV0.01。電火花切割成Ф30 mm×5 mm的圓盤(pán)樣品,手工打磨后拋光,其表面粗糙度Ra≤0.08μm。等離子體注入實(shí)驗(yàn)在多功能等離子體浸沒(méi)離子注入裝置上進(jìn)行。試樣在3種不同的等離子體源下進(jìn)行處理,其工藝參數(shù)見(jiàn)表2,離子注入前用A r+濺射清洗30 min,以除去試樣表面的氧化物雜質(zhì)和可能吸附的油污。

表1 Cr4Mo4V軸承鋼化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of Cr4Mo4V bearing steel

對(duì)離子注入前后的試樣分別進(jìn)行了顯微硬度和摩擦磨損性能測(cè)試。顯微硬度在 H KS-1000A k型顯微硬度測(cè)量?jī)x上進(jìn)行,載荷0.098 N(10 g),加載持續(xù)時(shí)間10 s,每種試樣打10個(gè)印痕,每個(gè)印痕取壓痕兩對(duì)角線平均值。摩擦磨損試驗(yàn)在CJS111B型球-盤(pán)式多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上完成:對(duì)摩件是Ф5.35 mm的 Si3N4陶瓷球,表面粗糙度Ra≤0.04 μm,載荷為0.5 N(約51 g,下同),旋轉(zhuǎn)半徑為10mm,相對(duì)滑動(dòng)速度為0.6 m/s,總摩擦圈數(shù)為10 000圈,每10圈取1次數(shù)據(jù),摩擦力通過(guò)力傳感器直接測(cè)量,并根據(jù)所加的載荷換算出摩擦系數(shù),以改性層完全磨透時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)來(lái)判斷耐磨壽命。采用400倍光學(xué)顯微鏡觀察磨損表面的磨痕寬度和顯微形貌,分析Cr4Mo4V軸承鋼的磨損機(jī)理。

表2 離子注入工藝參數(shù)Tab.2 Parameters of ion-imp lanted

2 結(jié)果分析

2.1 試樣的顯微硬度

圖1示出了離子注入前后Cr4Mo4V軸承鋼試樣的表面顯微硬度?？梢钥闯?經(jīng)離子注入處理后試樣的表面顯微硬度變化情況是:注入TiC后試樣的顯微硬度為1 120 HV0.01,增幅高達(dá)54.7%;而注入DLC后的試樣的顯微硬度也增大了16.4%;而在注入N+后顯微硬度增幅較小。劉洪喜等認(rèn)為注入N+使Cr4Mo4V軸承鋼表面生成的改性層對(duì)硬度提高作用不明顯,而注入DLC后表面為金剛石相,注入 TiC表面為陶瓷相[7],使得改性層硬度有了明顯提高。

圖1 不同處理?xiàng)l件下試樣的顯微硬度Fig.1 M icro-hardness of the samp le in different disposal conditions

2.2 摩擦磨損性能

圖2所示為在載荷0.5 N、相對(duì)滑動(dòng)速度0.6 m/s條件下,處理前后試樣的摩擦系數(shù)曲線。由圖2可見(jiàn),未處理試樣和注入N+試樣摩擦系數(shù)相對(duì)較高,在相對(duì)滑動(dòng)500圈時(shí),摩擦系數(shù)上升到0.9左右。在摩擦試驗(yàn)初期,由于未處理試樣表面存在少量水分和其他吸附物,所以摩擦系數(shù)亦較低,但很快就迅速上升;注入N+處理的試樣和未處理的試樣相比,并沒(méi)有起到明顯的減摩作用。注入DLC處理的試樣,起始很長(zhǎng)一段摩擦?xí)r期內(nèi)均保持較低的摩擦系數(shù),這是由于表面形成了具有較低摩擦系數(shù)的改性層,隨著滑動(dòng)圈數(shù)的增加,在約5 500圈時(shí)摩擦系數(shù)迅速上升,認(rèn)為是由于表面改性層被磨掉,使得摩擦系數(shù)上升;但是總體趨勢(shì)仍然低于未處理試樣,這可能是在注入時(shí),過(guò)飽和的C原子在離子轟擊熱的作用下,沿著由離子注入產(chǎn)生的高密度位錯(cuò)管道向基體深處擴(kuò)散,對(duì)基體仍有強(qiáng)化作用。注入 TiC處理的試樣,摩擦系數(shù)一直保持在0.2左右,說(shuō)明在注入 TiC試樣表面形成了具有較低摩擦系數(shù)的改性層,且改性層強(qiáng)度高、耐磨,在試驗(yàn)過(guò)程中改性層并沒(méi)有被磨透。

圖2 摩擦系數(shù)曲線Fig.2 Friction coefficient

圖3為處理前后Cr4Mo4V軸承鋼試樣的磨痕寬度?？梢钥闯龈髟嚇釉谀Σ?0 000圈以后,所測(cè)得的磨痕寬度變化趨勢(shì)與摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致,其中注入 TiC的試樣(4)磨痕寬度值最小,同未處理試樣相比減小約50%,這與處理后表面顯微硬度較高有關(guān);注入DLC的試樣(3)的磨痕寬度也明顯小于未處理試樣;而注入N+的試樣(2)的磨痕寬度并沒(méi)有明顯減小。由以上可知注入 TiC,DLC處理對(duì)試樣在干摩擦試驗(yàn)中耐磨性的改善作用比較顯著。

2.3 磨損機(jī)理分析

圖4所示為不同表面改性情況試樣的磨損形貌。其中,圖4a)為未處理試樣,可以看出磨損表面有比較明顯的沿著滑動(dòng)方向的大面積粘著痕跡,說(shuō)明磨損機(jī)理以粘著磨損為主;圖4b)為注入N+處理的試樣,可見(jiàn)干摩擦條件下磨損表面主要也是以粘著磨損為主,但與未處理試樣相比磨損程度有所減輕,說(shuō)明注入N+能起到一定的抗磨作用;圖4c)為注入DLC處理的試樣,可見(jiàn)在干摩擦條件下由于循環(huán)接觸應(yīng)力的作用,表面發(fā)生了脫落,主要磨損機(jī)理為疲勞磨損,而脫落的顆粒在滑動(dòng)表面形成磨粒,使磨痕中間部分表現(xiàn)為犁溝磨損,并伴有輕微的粘著磨損;圖4d)為注入 TiC的試樣,可見(jiàn)磨損表面改性層并沒(méi)有完全磨損掉,只是在局部發(fā)生了脫落,主要是以疲勞磨損為主。

圖3 干摩擦試驗(yàn)?zāi)ズ蹖挾菷ig.3 Wear w idth data under dry f riction

3 結(jié) 論

1)對(duì)Cr4Mo4V軸承鋼進(jìn)行了不同等離子體浸沒(méi)離子注入表面改性處理,試樣表面層中形成了增強(qiáng)的改性層,不同程度提高了顯微硬度,其中注入 TiC后的試樣硬度最大,增幅達(dá)到54.7%。

2)注入 TiC處理的試樣的摩擦磨損性能改善得最顯著,摩擦系數(shù)下降到約0.2,最小磨痕寬度減小了約50%。其次是注入DLC改性試樣,然后是注入N+的試樣。

3)未經(jīng)過(guò)表面改性處理的試樣磨損機(jī)理主要以粘著磨損為主;注入N+處理的試樣磨損機(jī)理主要也是以粘著磨損為主,但磨損程度有所減輕;注入DLC處理的試樣磨損機(jī)理主要為疲勞磨損,且伴有輕微的犁溝磨損;注入 TiC的試樣,也是以疲勞磨損為主。

4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同等離子體源下改性層的表面綜合性能,由好到壞依次為注入 TiC,DLC,N+。

圖4 試樣磨損表面形貌Fig.4 Worn surface

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Effect of ion-imp lantation on tribological p roperties of Cr4Mo4V

L IWen-zhong1,L IU Zhen-yu1,ZHANG Shao-bo2
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;2.Department of M echanical and Electronic Engineering,Baoding Vocational College of Science and Technology,Baoding Hebei 071000,China)

The surface of Cr4Mo4V was modified w ith N+,diamond-like carbon thin film(DLC)and TiC p lasma immersion imp lantation(PIII)respectively.The surfacemicrohardness wasmeasured.The tribological p ropertieswere investigated under dry friction condition against Si3N4ball.The wo rn surface wasobserved w ith op ticalmicroscope.Results show that themicrohardness increases after ion-imp lanted.Imp lanted w ith TiC,the increasing degree reaches themaximum,54.7%.And its friction coefficient decreases from 0.9 to 0.2,the w idth of worn scar decreases by 50%.The wearmechanism of un-imp lanted and imp lanted w ith N+ismainly adhesion.However,the wear of imp lanted with N+ismore gentle.The wear mechanism of imp lanted w ith DLC and TiC ismainly fatigue wear.The synthetical surface perfo rmance of ion-implanted steel is in descending sequence of imp lanted w ith TiC,DLC and N+.

surface modification;Cr4Mo4V;p lasma immersion ion imp lantation(PIII);tribological p roperty

TH117.1;TG174.4

A

1008-1542(2010)02-0097-03

2009-10-22;

2009-12-10;責(zé)任編輯:馮 民

河北科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(QD200935)

李文忠(1976-),男,河北蠡縣人,講師,博士,主要從事摩擦學(xué)及其測(cè)試控制技術(shù)方面的研究。