齿轮低温离子渗硫表面处理工艺技术研究

祝国荣，贾阳光，邬晓颖，李宏伟，李 顺，闫晓红，王 森，孙宪俊

(1.北京北方车辆集团有限公司，北京 100072；2.中国兵器工业新技术推广研究所，北京 100089)

随着特种车辆向“六化、七高”(即：机械化、自动化、智能化、信息化、轻量化、小型化；高速度、高精度、高突防、高毁伤、高可靠性、高生存能力、高环境适应性)方向发展，对传动装置的服役寿命、可靠性提出了更高的要求。传动装置作为特种车辆的核心部件之一，集直线变速与无极转向功能于一体的复杂机械设备，大修期以传动装置寿命为依据，其磨损失效极大地制约了特种车辆的服役寿命。因此，提高传动装置的摩擦磨损指标，对延长车辆寿命和提高车辆行驶的可靠性具有深远意义。

渗硫技术始于20世纪40年代，在汽车发动机缸套和活塞环表面形成几微米厚的硫化物膜，可大大减小摩擦副表面的擦伤[1]。50年代法国出现了氰化物盐浴渗硫法(Sulfinuz法)，可在零件表面形成0.3 mm富硫层。到60年代，法国、英国、德国、美国、日本等20多个国家都采用硫氰共渗法处理零件，效果十分显著，经处理过的汽车发动机活塞环磨损减少94%，缸套磨损减少80%，渗硫钢铁件甚至可以代替一些机械中的青铜件[2]。针对硫氰共渗法污染严重的缺点，70年代法国液力机械研究所成功开发出低温电解渗硫技术(盐浴中仍然含有毒物质，但由于处理温度低，氰盐蒸发量较少，危害较小)制备FeS薄膜，在随后的十几年中，电解渗硫是主要的制备工艺，许多研究人员研究了采用该技术制备的FeS薄膜摩擦磨损性能[3-4]。

针对服役环境复杂化对传动装置的摩擦磨损性能不断提高，加之环保要求对渗硫工艺的环保性能愈发苛刻，亟需进一步研究渗硫工艺的理论和方法，开发出绿色表面自润滑渗硫技术。本文通过低温离子渗硫工艺技术研究，探讨3组渗硫工艺参数对渗硫效果的影响、硫化层自润滑作用等方面，为零件获得最优的渗硫层深及组织结构，达到最佳自润滑的效果奠定基础。同时低温离子渗硫技术研究，克服了传统渗硫方法(电解渗硫、盐浴渗硫)导致的环境污染，对推动绿色环保渗硫技术发展、提升特种车辆的力学性能、延长车辆寿命具有重要意义。

1 试验材料与方法

本文以特种车辆的左、右半轴齿轮为试验对象，材料为20Cr2Ni4A，样品尺寸为φ28 mm×20 mm，热处理状态为渗碳+淬火+低温回火，表1为20Cr2Ni4A齿轮样品成分检测结果。低温离子渗硫设备示意图如图1所示[5]，渗硫样品先用600号砂纸打磨去除表面的氧化物，再用无水酒精淋洗，晾干后装炉，抽真空不高于10 Pa，向炉内通入H2S、H2、Ar渗硫气氛，保持真空不高于50 Pa；然后，调节电压至产生辉光效应，温度升到预定渗硫温度，开始保温计时；最后，保温至预定保温时间，切断脉冲电源并停止供气，待温度降至60 ℃以下，出炉浸油。渗硫温度是影响渗硫速度、表面化合物层相结构、渗层厚度和工件变形的重要工艺参数，对渗硫工件表面形成FeS固体润滑层影响很大，温度较低，渗硫层基本检测不到硫化物相，温度过高，形成不具有润滑作用的其他硫化物相(如Fe2S等)。保温时间对渗硫层厚度及表面硫浓度的影响较明显，渗硫过程保温时间的选择主要根据渗硫工件对渗层深度的要求来定。根据经验数据，渗硫处理后齿轮的渗硫层深达到5～10 μm，表面含硫量达到15%～20%，需要渗硫温度保持在180 ℃以上，保温时间2～4 h以上。渗硫工艺参数见表2。

图1 低温离子渗硫设备示意图

表1 20Cr2Ni4A齿轮的化学成分(质量分数) (%)

表2 渗硫工艺参数

在销锥磨损试验机上进行摩擦磨损试验，样品取自渗硫样品和未渗硫样品的表面、心部，尺寸为φ25 mm×3 mm，样品被固定在由电动机带动的旋转支架上，与载荷臂上的耐磨球进行相对摩擦运动，摩擦磨损试验的相关参数见表3。质量磨耗损失是以表面和心部样品测量的平均值来表征，销锥磨损试验机的结构示意图如图2所示。显微组织是利用Nikon ECLIPSE MA200型号光学显微镜(OM)、FEI SIRION 200型扫描电子显微镜(SEM)和JEM 2100透射电子显微镜(TEM)进行观察，检测渗硫层深度及形貌，并利用线扫描(EDS)能谱对渗硫层、过渡区及基体的元素分布进行扫描，以及用点扫描分析表面硫元素含量。

表3 摩擦磨损试验的相关参数

图2 销锥磨损试验机的结构示意图

2 试验结果与讨论

2.1 工艺试验分析

图3所示为1#～3#样品在加速电压为20 kV、工作距离为10 m、放大倍数为2 000 X下的显微形貌图，可以看出，渗硫层、过渡层和基体具有不同的衬度，1#样品整体渗硫层深<5 μm，渗硫层从表面至基体存在较薄的过渡层，导致渗硫层与基体容易脱落；2#样品渗硫层厚度约为8 μm；3#样品渗硫层厚度非常不均匀，最薄处为5 μm，最厚处达到约20 μm。

a)1#样品

b)2#样品

c)3#样品图3 1#～3#样品渗硫层的形貌图

图4所示为渗硫样品的渗硫层、过渡层和基体进行线扫描EDS能谱表征，过渡层均有富Cr元素和C元素。渗硫过程中，由于硫元素的占位作用，使Cr元素发生迁移，形成富Cr层硬度较高，最后对渗硫层表面进一步进行点扫描，可知最外层硫含量(见表4)。

a)1#样品

b)2#样品

c)3#样品图4 1#～3#样品渗硫层的元素分布

表4 渗硫层深和表面含硫量

综上所述，从工艺试验检测结果可以初步判断，2#、3#样品结果均满足技术要求，渗硫层深5～10 μm，表面含硫量达到15%～20%，从均匀性上看，2#样品优于3#样品。

2.2 摩擦磨损试验分析

为验证渗硫层的润滑作用，选择2#样品与未渗硫样品做摩擦磨损对比试验。图5所示为2#样品和未渗硫样品在不同磨损时间下的磨耗质量，可以看出，未渗硫样品的磨损规律与渗硫样品相近，但磨耗量远高于渗硫样品。在摩擦磨损过程中，0～3 h，渗硫样品磨耗相对较低，渗硫样品磨耗约为未渗硫样品的1/2，推测为渗硫层的存在使得抗磨损性能得到提高；3 h后，样品磨损均增快，磨损不断加快，存在加速磨耗区间，如渗硫样品磨耗从8 mg增至34 mg，推测随着磨损时间的增加，渗硫层脱落或被碾碎，无法发挥出润滑的作用。

图5 2#样品和未渗硫样品在不同磨损时间下的磨耗质量

图6所示为2#样品和未渗硫样品磨损过程中的摩擦因数及摩擦力，可以看出，渗硫样品摩擦因数均保持在0.3以下，未渗硫样品的稳定摩擦因数较高，约为0.32。在摩擦试验过程中，采用恒定载荷即等压力作用，故摩擦力与摩擦因数呈相关，摩擦力与摩擦因数变化规律相同。

a)2#样品

b)未渗硫样品图6 2#样品和未渗硫样品磨损过程中的摩擦因数及摩擦力

图7所示为2#样品和未渗硫样品分别在干磨3、6和9 h后的组织形貌。从图7a可以看出，样品表面存在渗硫所导致的小孔和较多长且细的沟槽，说明3 h后渗硫层仍未完全破坏，样品失效以犁痕为主，此时的摩擦因数较小；从图7b可以看出，样品表面局部存在大量深且宽的沟槽，沟槽内存在着剪切唇碎块和硫化层碎渣，硫化层碎渣在摩擦磨损过程中可起到部分润滑作用，说明6 h后样品表面失效以金属破坏为主，耐磨基体内仍存在少量硫化物，基体基本破坏，使得摩擦因数升高，磨耗量增大；从图7c可以看出，样品表面存在大量深且宽的沟槽，沟槽内存在大量孔洞和金属破坏后的剪切唇形貌，基体内出现大量长且深的Z型裂纹，裂纹沿着摩擦磨损方向在犁痕间进行扩展，说明9 h后失效模式完全转化为金属间摩擦磨损失效方式，基体金属完全破坏，摩擦因数增大，磨耗量增大，渗硫层润滑作用消失[6]。从图7d～图7f可以看出，3种样品表面均存在大量犁痕，发现犁痕内部均存在大量鱼鳞状切削，6 h后可以在鳞状切削和犁痕内能清楚地观察到微裂隙，说明6 h后失效模式为金属间摩擦磨损失效方式，基体金属完全破坏，摩擦因数很大，磨耗量很大。

a)2#样品干磨3 h

b)2#样品干磨6 h

c)2#样品干磨9 h

d)未渗硫样品干磨3 h

e)未渗硫样品干磨6 h

f)未渗硫样品干磨9 h图7 2#样品和未渗硫样品分别在干磨3、6和9 h后的显微组织形貌

2.3 摩擦磨损机理研究

由Fe-S相图可知，S几乎不溶于α-Fe和γ-Fe，而只是与铁形成化合物FeS和FeS2。由于硫原子半径(rS=0.102 nm)大于碳(rC=0.077 nm)、氮(rN=0.075 nm)，并且硫的最外层电子数为6，多于硼、碳和氮，因此，硫在铁中的扩散速度也非常小，其渗层很薄，一般为几个至几十个微米。但是渗硫层与基体金属之间呈锯齿交错状接触，结合紧密，耐久性好[7]。

摩擦磨损完成后，切取摩擦磨损次表层样品，制作透射样品并在TEM下进行检测分析，对摩擦磨损机理进行分析。图8所示为2#样品渗硫后的显微组织形貌，可以看出，渗硫后，基体组织发生明显变化，由外及里存在组织分层结构：表面为均匀渗碳层，渗硫层XRD物相分析结果显示，其主要物相为S单质+FeS+FeS2等组织；次表层组织已充分回火，其基体组织为回火马氏体(回火索氏体组织)，由于渗硫过程对样品进行了长期中温保温，存在晶界氧化现象，造成组织较为疏松；由于S元素占位等因素使得各元素存在偏析现象，渗硫后样品微观组织存在带状分布现象；到达一定深度后，微观组织不存在变化，与未渗硫组织相同(马氏体+铁素体+少量析出碳化物)。从图8b可以看出组织中存在的板条马氏体及其衍射斑点。板条马氏体为过饱和碳存在于铁素体当中，其结构为BCC结构，较之碳化物和奥氏体等结构，更易与S元素结合，形成FeS类渗层[8-9]。

a)SEM图像

b)TEM图像图8 2#样品渗硫后的SEM表征和TEM表征

图9所示为2#摩擦磨损试验9 h后位错型板条马氏体的明暗场像及衍射花样，在明场像中可清晰观测到大量位错，沿一定方向缠结。由于构成渗硫层主体的FeS相(hcp结构)呈鳞片状多孔形态分布，其硬度较低，变形阻力小，在摩擦磨损高应力作用下，位错在基体中大量形成并形成缠绕，易沿着某一位向滑移，对金属之间的接触起到润滑作用[10]。

a)板条马氏体的明暗场像

b)板条马氏体的衍射花样图9 2#样品的马氏体形貌

3 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)左、右半轴采用在200～240 ℃保温4～6 h的低温渗硫工艺，随着渗硫温度的升高，保温时间延长，渗硫层深和表面含硫量均会增加，考虑到渗层均匀性、与基体的结合情况以及生产效率等诸多因素，优选了渗硫温度240 ℃、保温时间4 h为理想的低温渗硫工艺。

2)在摩擦试验过程中，渗硫试件和未渗硫试件在无润滑剂条件下，分别进行3、6和9 h干磨，渗硫试件摩擦磨损状态优于未渗硫试件，渗硫样品摩擦因数均保持在0.3以下，未渗硫样品的稳定摩擦因数较高，约为0.32。

3)渗硫过程中，由于S的占位，使Cr和C元素发生迁移，形成富Cr层硬度较高，且渗硫层疏松多孔，呈蜂窝状，隔断金属间直接接触，摩擦因数较小，保持润滑状态。此外，由于构成渗硫层主体的FeS相(hcp结构)沿着某一位向滑移，在摩擦磨损高应力作用下，位错在基体中大量形成并形成缠绕，易对金属之间的接触起到润滑作用。