从硫碳氮三元共渗看影响零件表面磨损寿命的几个实际问题

【摘 要】 近些年来，利用表面热处理提高材料耐磨性的问题一直受到人们的关注。本人也为此进行了辉光离子硫碳氮三元共渗的研究，并从减摩性分析入手取得了较好的研究结果。本文主要从处理后零件表面形成的储油结构、固体剂的形成、硬度梯度对磨损的影响三方面入手，进行了表面热处理方面研究。

【关键词】 减摩性 储油结构 固体剂 硬度梯度

利用各种表面处理方法对工件表面进行处理，以达到提高工件的耐磨性能和使用寿命，这一直是许多人在研究的问题。现在常见的提高工件表面耐磨性的方法很多，如表面热处理、表面淬火、表面硬化等，但由于实际情况的复杂性，许多时候进行的表面处理却达不到预期的效果。本人从上世纪的八十年代起，就开始进行铸铁及钢材表面处理的研究，并进行了辉光离子硫碳氮三元共渗的研究，在实验中得到了很好的研究结果。在采用铸铁制造的柴油机缸套与活塞环的模拟磨损试验中，处理后的铸铁表面磨损寿命提高到了处理前的5倍。

为此本人结合辉光离子硫碳氮三元共渗试验情况，对工件处理后的表面热处理后的表面组织及对耐磨性能的影响进行了分析。这也是本文将主要讨论的问题。

1 辉光离子硫碳氮三元共渗后工件表层组织与硬度分析

在对铸铁表面进行了辉光离子硫碳氮三元共渗的处理后，我们曾进行了放大500倍的金相显微的观察，并观察到在辉光离子硫碳氮三元共渗后的工件表面形成的十几微米厚的较光亮表面层，仔细观察可发现表层中大量的微小、分布较均匀的椭圆状粒状物。

通过电子探针分析，S的渗入深度约为8～20μm，而N的渗入深度可高达40μm以上，其扩散深度还可高于此值[1]。S的渗入在最表层中形成了大量的FeS颗粒，这就是前面提到的表层中大量的微小、分布较均匀的椭圆状粒状物。

从磨损试验后的试样表层金相分析可看出，最表层的椭圆状粒状物FeS被磨去，形成大量的微小凹坑。在表层硬度测定的过程中，我们测定出的最表层基体硬度略高于HV400，而在距离表面约30μm处，硬度达到了最高值，此值仅为HV600，略高于未处理前的铸铁硬度均值。再向内层，硬度呈缓慢下降的情况。这样的表层硬度分布情况与通常的表面硬化处理的明显不同在于：其一，表层硬化层的硬度并不很高；其二，表层的硬度梯度较小。

2 对机械零件表面磨损状况及耐磨性能的分析

在前述的柴油机缸套与活塞环的硫碳氮三元共渗的试验中，材料表面的耐磨损性能提高到了处理前的5倍[2]，此外有人在齿轮上进行此类实验时也取得了延长3倍的磨损寿命。为何硫碳氮三元共渗后工件的耐磨性能会有较大程度的提高呢？这关系到如何正确地认识摩擦磨损机理的问题，也是本人在下面将要重点探讨的问题。

2.1 正确认识零件表面摩擦磨损寿命需面对的几个问题

2.1.1 机械零件表面材料的抗磨性与减摩性是决定其耐磨性能的关键

本人认为：决定机械零件耐磨寿命的主要因素有两点，即零件表面的抗磨性与减摩性。抗磨性决定了材料抵抗表面被硬物划伤的能力，通常情况下材料的表面硬度越高，其抗磨性就越好；而减摩性是材料表面自身具有的或在有油存在条件下的减低摩擦力能力。

在现在机械制造的表面热处理中，广泛引起人们关注的是抗磨性，而减摩性却常常被忽略。如制造齿轮时，通常进行的是表面渗碳后淬火的最终热处理，以提高齿轮齿面的硬度。

但这种设计的本身忽略了提高材料减摩性的方面，所以在有些场合是不合适的。在已经可以将材料表面硬度变得很高的今天，重视提高材料的减摩性具有着更加重要的意义。

2.1.2 零件表层的微观结构对油膜的影响

现代机械零件的重要工作表面多使用油来，油的效果在很大程度决定着零件表面的磨损速度及使用寿命。为提高油的效果，除去应根据零件在工作时的温度、表面压力、速度、工作场合等情况选定合适的油品种及粘度外，工件表面的微观结构对效果也有着不可忽视的重要影响。

根据现代摩擦理论，工件表面的情况介于干摩擦和理想的液体摩擦之间，若能设法使得表面摩擦状况向液体摩擦方向接近，就能减小摩擦系数，进而降低磨损程度。在工程实际中，在钢及铸铁类的机械零件中，现在多采用的是增加油的工作压力等方法来改变表面摩擦状况，但这样的设计存在着增加了生产成本、易造成设备漏油等实际问题。而易被人们忽略的改变零件表层微观结构的方法，对于改变摩擦表面的状况往往起着重要作用。这类方法又分为使工件表面被加工成特定的纹路，或使工件表面组织形成特定的储油结构两类方法。前者已被用于柴油机汽缸套的生产中，而后者却只是在有些有色金属生产的滑动轴承件中被采用（例如铝基轴承合金等）。

本人在对硫碳氮三元共渗的研究中发现，处理后的工件表面存在着大量的由硫化铁聚集形成的微小粒状结构，因硫化铁的硬度极低，所以磨损时首先被磨掉，并在工件表面形成大量的微小粒状的凹坑。这些凹坑被称为储油结构。在工件表面有油存在的条件下，这些凹坑的形成起到了储存油的作用。工件表面这些储油结构的大量存在，在很大程度上改善了其摩擦表面情况，使得摩擦的状况向液体摩擦趋近，工件表面的摩擦系数降低。

这种情况不但使工件的使用寿命提高，还很好地减少了摩擦生热。这对于一些因摩擦表面工作时温度过高，而不得不采用提高油的冷却能力、以降低摩擦面温度的场合，设法通过改变材料的表面结构，以改善工件表面的摩擦状态，减小摩擦系数及摩擦生热将有着重要的意义。在很多情况下，硫碳氮三元共渗的的表面热处理方法能从根本上解决摩擦生热过多而造成的摩擦面温度过高的问题。

由此可见，注意零件表层的微观结构对油膜的影响，对于一些场合下的零件表面磨损具有重要意义。

2.1.3 摩擦表面产生的固体剂对磨损的影响

固体剂是现代机械中常用的一类特殊剂，它主要添加在一些脂中，如常用的石墨钙基脂、二硫化钼锂基脂等，分别是添加了固体剂石墨或二硫化钼的脂。由于石墨或二硫化钼都属于硬度极低的固体物质，它们的细小粉末存在于金属摩擦表面时，可起到良好的作用，加上固体剂不像油那样会因被面上的压力增大而流失，故特别适用于一些压力较大的特殊场合。

硫碳氮三元共渗后，工件表层中的FeS也是一种硬度很低的化合物，它在摩擦作用下会首先被磨碎，进入摩擦表面，并在以后的摩擦中起到类似于石墨或二硫化钼的作用，成为良好的减摩剂，能有效地减小了工件表面的摩擦。因此硫碳氮三元共渗后，工件耐磨性显著提高，而且此法特别适用于摩擦表面压力较大，容易将油挤开，而不利于用油的场合。

事实上，从其他人的研究结果看，硫碳氮三元共渗对提高大型机械的齿轮的抗咬合性有很好的作用，而且，其在缸套与活塞环的摩擦副情况下，提高材料磨损寿命的效果更加明显，寿命提高达5倍。这类情况的发生，都与FeS的固体减摩剂作用有着直接的关联。

以此看来，应该重视工件表面金相组织中的固体剂对磨损的影响问题。

2.1.4 表面硬度梯度对磨损状况的影响

零件表面的硬度梯度对于表面具有高硬度工件的正常工作具有很大影响。尤其是在现代，绝大多数的摩擦场合的工件表面都进行了硬化处理。但因工件心部硬度较低，工件表层到心部的硬度梯度就成了必须注意的关键问题，此问题处理不好常会造成工件表面在工作早期阶段发生严重的损坏。

应设法减小工件表面的硬度梯度，避免工件工作时因表面压力大造成硬化层开裂及剥落的问题。此类问题常常是造成工件早期损坏的重要原因之一。笔者在进行硫碳氮三元共渗的研究中也充分注意到了这一点，尽管共渗后的材料表层硬度并不高，但其耐磨寿命却明显提高，而且寿命很稳定，这与共渗后的表层硬度梯度小有着直接的关联。

由此可知，减小工件表面的硬度梯度对于保证其使用寿命具有重要的意义。

2.2 在提高材料材料磨损寿命方面常出现的一些错误认识

2.2.1 零件表面越硬其耐磨性就越好

基于此种错误认识，有些人在摩擦磨损零件的表面处理上是在走弯路的。例如：在对柴油机其缸套与活塞环进行表面热处理时，有人曾采用过进行辉光离子表面氮氧共渗、表面激光淬火等方法的试验，试图用提高表面硬度的方法延长其磨损寿命，但实际效果都欠佳，根据本人在船舶上的的实际调查，发现了经辉光离子表面氮氧共渗的部分柴油机汽缸套甚至发生了在最早使用的十几个小时内就发生了拉缸损坏的严重问题。

在钢材表面进行辉光离子氮化处理，以提高其表面硬度及耐磨性的试验，从上世纪的八十年代甚至更早就有很多人在研究，但取得突破性大进展的不多，其根本的原因就在于此，将材料表面的硬度与耐磨性等同看待。只有客观地认识好材料表面的抗磨性和减摩性的关系，注重减摩性的提高，才能在这些场合下找到提高零件磨损寿命的正确热处理方法。

事实上，零件表面越硬其耐磨性就越好的看法是错误的。影响零件表面的因素很多，必须全面、客观地综合考虑问题，才能正确地找到提高磨损寿命的方法。

2.2.2 忽视工件表面储油结构的作用

只关心基体组织自身的耐磨性能，忽视工件表面磨损中出现的储油结构的作用，这也是当前在材料耐磨性研究中容易出现的问题。

零件表面的磨损寿命不但与其表面组织本身的耐磨性有关，还与其表面的微观形态等有着重要的关系，而后者是常常容易被人们忽略的问题。当材料表面的减摩性提高，表面摩擦系数降低时，不但可以减小磨损速度，还可以减少摩擦表面的生成的摩擦热，这对于减低摩擦表面的温度，减少机械的能源消耗都有着重要的作用。

在材料表面处理技术高度发展的今天，更应对磨损工件的表面在工作时的状态给予很多的重视与研究，设法通过工件表面合理储油结构的形成，使油更好地发挥效果，减少摩擦磨损及摩擦生热，提高机械的使用寿命及机械效率。

2.2.3 忽视工件表面硬度梯度对工件使用寿命的作用

在材料表面硬度很高的今天，如果忽视工件表面硬度梯度问题，片面地提高其表面硬度，经常会造成部分工件在工作早期的非正常损坏，从而造成整个机械装置的早期损坏，严重地降低机械工作的可靠性。

为防止这类情况的发生，应更多地注意降低工件表面硬化层的硬度梯度，防止其表面硬度变化过大，硬度梯度过陡，进而防止机械零部件早期损坏，提高机械工作的可靠性。

笔者在进行辉光离子硫碳氮三元共渗的研究时，曾对辉光离子氮氧共渗技术在船舶柴油机缸套与活塞环上的应用结果进行了调查。与辉光离子硫碳氮三元共渗不同的是，辉光离子氮氧共渗后的材料表面硬度高达HV1000以上，但缸套使用时早期的拉缸损坏问题较严重，甚至导致了少数船舶大修后柴油机使用寿命仅为十几个小时的严重问题。虽然当时有些人认为这样的问题是由于发动机的空气或柴油滤清器的故障造成的，但在之后的检查中并未发现滤清器的故障，只是进行了缸套与活塞环的更换就解决了此类问题。根据对此问题的具体分析，本人认为：这时的缸套拉缸问题，主要是由于氮氧共渗后的缸套与活塞环表面硬化层很薄、硬度很高，造成表面硬度梯度过大，进而产生了缸套在使用早期产生的表面产生剥落，而剥落下来的高硬度颗粒变成了磨料，使得部分缸套在早期的使用过程中很快产生了拉缸损坏。为解决此问题，本人修改了缸套与活塞环的表面热处理工艺，用辉光离子硫碳氮三元共渗取代了原来的处理工艺。虽然处理后的缸套与活塞环表明硬度降低，但从未发现其早期损坏的问题，而且其使用寿命达到原来的5倍。通过对辉光离子硫碳氮三元共渗后的工件表面的变化曲线的分析，发现此种处理后的工件表面硬度梯度较小，正是这种较小的硬度梯度确保了缸套与活塞环不会在早期发生非正常的拉缸现象，从而保证了其磨损寿命的稳定性。

笔者认为：在工件表面硬度梯度过大、硬化层过薄时，产生工件表面的早期非正常损坏的主要原因为：高硬度的硬化层后的较低硬度部分在压应力的作用下产生塑性变形，此变形造成材料表面高硬度层因应力的集中而产生裂纹，当裂纹过多并相互连通时，造成了材料的表面高硬度层的剥落，剥落的高硬度碎块又以磨料的形式参加到零件的表面磨损中，这就是目前的高硬度表面工件常出现磨损中的早期损坏的重要原因。

3 应如何正确分析零件的磨损失效问题

首先应注意处理好决定机械零件表面耐磨性能及使用寿命的抗磨性与减磨性这两大方面。应该统筹兼顾地考虑好这两方面的问题。材料表面的耐磨性情况是个很复杂的问题，其耐磨性与机械零件工作时的表面受力状况、情况、材料表面硬度梯度等很多因素有关，实际考虑问题必须结合工件表面磨损失效的具体情况进行综合性的分析，正确地找出提高零件耐磨性的方法。

为了提高零件的抗磨性，人们通过各种处理方法来提高工件表面的硬度，这样的设计思想使得零件表面的硬度变得越来越高，这种过高的表面硬度很容易造成材料表面附近的硬度梯度过大，进而产生零件在使用中的早期表面硬化层的剥落问题，甚至因为此种剥落带来工件表面的早期磨损突然加剧而失效的严重问题。

根据目前的实际情况，笔者认为：在一些情况下，要特别注意到提高工件减磨性的问题，这是常常容易被人们忽略，但又决定着零件表面磨损寿命的大问题。所以，设法提高减摩性应是目前的表面热处理研究别要关注的大问题。至于如何提高减摩性本文的前面以介绍过，现总结如下。其一是设法使工件表面形成微观储油结构，以加强油的效果；其二是要注意工件表面的化合物物理性能，使其能够充当固体减摩剂；其三是设法减小表面层的硬度梯度，以防止表面硬化层的早期剥落。在许多情况下，处理好这三方面的问题决定着表面热处理成败的关键。

以上是本人在提高零件耐磨性能的表面热处理研究中的一些体会和经验，希望能与其他关注表面热处理的同行一起分享。

参考文献：

[1]孙超.船用柴油机气缸套及活塞环采用辉光离子硫碳氮三元共渗的研究.武汉船舶职业技术学院学报，2005，（5）：14-15.

[2]孙超.辉光离子硫碳氮三元共渗工艺的特点及应用前景.武汉交通职业技术学院学报，2012，（2）：75-77.