含扩渗改性的表面膜层

类别

性   能   和   应   用

含有渗硫工序的表面热处理层

1)在复合表面热处理中，与渗硫相复合的表面热处理具有较好的自润滑效果。应用较多的是在表面硬化处理之后增加一道低温电解渗硫工艺。低温电解渗硫工艺的处理温度为180~190℃，可与低温回火结合进行。常用的有：

①高频感应加热淬火加低温电解渗硫，如800℃高频感应加热淬火，190℃低温电解渗硫

②渗碳淬火加低温电解渗硫，如930℃渗碳，预冷至800℃淬火，190℃低温电解渗硫

③渗氮加低温电解渗硫，如550℃气体氮化，190℃低温电解渗硫

④碳氮共渗、淬火加低温电解渗硫，如850~880℃碳氮共渗后直接淬火，190℃低温电解渗硫等

图a是在严酷条件下工作的零件表面的理想硬度分布曲线，图中的第1、2、3层分别是易塑性变形的软质层、机械强度好的硬化层和硬度缓降的扩散层。上述硬化处理是为了得到要求的第2、3层，而低温电解渗硫可以生成减摩性良好的第1层

渗硫后硫在钢铁表面主要以硫化铁形成存在。在盐浴中渗硫时，200℃以上形成FeS₂层(黄铜色)，180~200℃形成FeS混有FeS₂(黑色混入黄铜色)，170℃以下仅有FeS层。渗硫层实质上是由FeS(或FeS+FeS₂)组成的化学转化膜。FeS具有密排六方晶格，硬度仅为60HV，受力时沿(0001)晶面滑移，使摩擦时实际接触面积增大，改善了初期的磨合，抗烧伤、咬合效果好。渗硫层是有大量微孔的软质层，有良好的储油能力和减摩性，即使在无润滑状态下摩擦因数也很低。图b是渗碳后各种表面处理的SCM415钢的摩擦因数随载荷的变化曲线

渗硫方法有固体、气体和液体渗硫三种。按渗硫温度又分为低温(160~200℃)、中温(520~560℃)和高温(800~930℃)渗硫

低温渗硫零件无畸变。在低温渗硫中，除低温电解渗硫、低温气体渗硫、低温液体渗硫外，真空辉光放电离子渗硫也日益受到重视

我国不仅研制出系列设备和配套的工艺，而且已将其成功地应用于轴承、轴瓦、轧辊、齿轮、丝杠、滑板等零件的批量处理中

(a)在严酷条件下工作的零件表面的理想硬度分布

(b)渗碳后不同表面处理的SCM415钢的摩擦状况

1—渗碳加低温电解渗硫；2—渗碳加磷酸盐处理

加MoS₂；3—渗碳加磷酸盐处理；4—渗碳淬火

2)渗氮、渗碳后再进行渗硫处理、硫氮二元共渗和硫碳氮三元共渗，也可使工件表面兼有渗硫后的减摩特性和渗氮、渗碳后的耐磨特性

①气体硫氮共渗后的金相组织分为三层，最外层是FeS，第二层是以Fe_2~3N为主的氮化物白亮层，第三层是氮的扩散层。硬度峰值可达1000HV_0.05，由表及里的硬度变化较为平缓。硫氮共渗后，提高了材料的减摩、耐磨性能。如W18Cr4V钢试样在淬火回火后(64~65HRC)经(560℃±10℃)×1h液体硫氮共渗与未经共渗的磨损试验结果是：对磨20000r后的失重分别为0.0131g和0.1008g。45钢试样(淬火+回火)在Fa-lex试验机上以全损耗系统用油L-AN32(20^#机油)润滑加恒定载荷进行试验，2s即发生咬卡，而经过硫氮共渗后的试样，运行500s还未发生咬卡

硫氮共渗与蒸汽处理相结合，可提高钢件的减摩和耐蚀性能。蒸汽处理又称氧化处理，是指在500~600℃的温度下，用过热蒸汽进行的处理。它可使钢件表面形成一层致密的与基体结合牢固的Fe₃O₄薄膜。对于高速钢刀具在硫氮共渗前、后可各进行一次蒸汽处理

②硫碳氮共渗兼有碳氮共渗和渗硫的特点，能赋予工件优良的耐磨、减摩、耐疲劳、抗咬合性能，并改善了钢铁件(不锈钢除外)的耐蚀性

钢铁表面形成的共渗层由硫化物层、弥散相析出层和过渡层组成。硫化物层厚度为5~20μm，是由FeS、FeS₂、Fe₃O₄等相组成的硫、氮、碳富集区。弥散相析出层主要由Fe(N，C)、Fe₃(N、C)、Fe₄(N、C)相及含氮的马氏体、残余奥氏体等相组成。过渡层是含氮量高于基体的固溶强化区

对于大多数结构钢和不锈钢，常以(565℃±5℃)×(1~3)h进行盐浴硫碳氮共渗。其处理效果十分明显，如45、45Cr钢的轴和齿轮处理后寿命可提高1~3倍；Cr12MoV硅钢片冷冲头等高精度冷作模的寿命提高1~4倍；1Cr13~3Cr13和1Cr18Ni9Ti钢泵轴、阀门寿命提高2~4倍；ZGCr28的叶轮、中壳抗咬合负荷提高4~6倍，台架试验时间延长3个数量级。45钢以570℃×3h进行离子硫碳氮共渗与未处理相比，在干摩擦下起始摩擦因数由0.14~0.15下降至0.08

镀

渗

层

将电刷镀与渗金属工艺相复合，可以在金属表面形成一层减摩、耐磨的固溶合金化镀覆层。如在40Cr钢表面先刷镀一层Sn(厚度0.5~3μm)，而后在氮气气氛中按500℃×6h/550℃×3h/600℃×6h进行渗金属；或在Cu合金(H62)表面刷镀8~15μm的Sn，在氮气气氛中按300℃×6h/400℃×4h渗金属，可获得较好的减摩、耐磨效果

在Al合金(LY12)表面先刷镀一层Cu(厚度0~9μm)+In(厚度16μm)，然后在空气中按140℃×4h/160℃×2h的工艺渗金属，所得到的镀层的摩擦学性能与Cu镀层厚度的关系见下图。摩擦学试验是在改进的MPX-200型试验机上进行的。对偶为GCr15(62HRC)，30^#机械油润滑，试验时间30min，结果表明，在该试验条件下，LY12基材刷镀4μmCu+16μmIn后实施渗入工艺的效果最好

1—300N，370r/min；2—400N，370r/min；3—500N，370r/min；4—400N，549r/min；5—400N，1102r/min