GCr15轴承钢表面NbC渗层的耐磨与耐蚀性研究.pdf

性能研究August,20232023年8 月RECHULI JISHU YU ZHUANGBEIVol.44,No.4第44卷第4期热处理技术与装备GCr15轴承钢表面NbC渗层的耐磨与耐蚀性研究宗晓明，张亚楠，杨尚矗（中航光电科技股份有限公司，河南洛阳471003)摘要：采用盐浴处理的方法在CCr15轴承钢表面制备了NbC渗层，并对渗层的耐磨、耐蚀性能进行了研究。结果表明，采用盐浴的方式可以在CCr15轴承钢表面制备完全由立方NbC组成的均匀渗层。干摩擦试验结果表明，在三种不同的外加载荷下,NbC渗层磨损体积仅为基体的1/10,耐磨性能大幅提升。耐蚀试验结果表明，当电位小于2 50 mV时，与基体材料相比，渗Nb处理后耐蚀性能大幅提升。关键词：轴承钢；热反应扩散；NbC；摩擦性能；腐蚀性能中图分类号：TTG113.25,TG142.72文献标识码：A文章编号：16 7 3-497 1（2 0 2 3)0 4-0 0 50-0 4Research on Wear Resistance and Corrosion Resistance of NbCLayer on the Surface of GCr15 Bearing SteelZONG Xiao-ming,ZHANG Ya-nan,YANG Shang-chu(Avic Jonhon Optronic Technology Co.,Ltd.,Luoyang Henan 471003,China)Abstract:The NbC layer was prepared on the surface of GCr15 bearing steel by salt bath treatment,andthe wear resistance and corrosion resistance of the layer were studied.The results showed that a uniformlayer composed entirely of cubic NbC could be prepared on the surface of GCr15 bearing steel by salt bath.The dry friction test result showed that under three different external loads,the wear volume of the NbC in-filtration layer was only 1/10 of the matrix,and the wear resistance was significantly improved.The corro-sion resistance test results showed that when the potential was less than 250 mV,the corrosion resistanceafter Nb infiltration treatment was significantly improved compared to the substrate material.Key words:bearing steel;thermo-reactive deposition;NbC;wear resistance;corrosion resistance表面处理技术是增强零件耐磨损或耐蚀性能的最常用方法之一。金属基体表面硬质渗层可通过物理气相沉积、化学气相沉积、离子溅射等多种方式获得,成本一般较高1-4)。热反应扩散(TRD)技术是一种成本较低的渗层技术，一般通过固态渗或盐浴的方式进行5-7 。在 TRD处理过程中,基体中的 C或N元素向表面扩散，与渗剂中的碳化物或氮化物形成元素（如V、Nb、T i、T a、Cr 层）反应，在基体表面形成致密的渗层，该渗层一般具有较高的硬度，并且与基体间结合力良好，具有较好的应用前景。碳化铌（NbC）渗层可通过盐浴工艺获得，该渗层是由基体中的C与盐浴中溶解的Nb直接结合形成的。除了高硬度外,NbC还具有高的韧性和刚度、极高的熔化温度（38 7 3）和化学稳定性5-9以往关于热反应扩散渗层的研究大多集中在力学、磨损及生长动力学方面，对其电化学性能的研究收稿日期：2 0 2 3-0 2-12作者简介：宗晓明（198 7 一），男，高级工程师，博士研究生，主要材料表面工程研究。联系电话：18 30 36 96 58 4;E-mail：z o n g x i a o mi n g 10 0 16 3.c o m51宗晓明等：GCr15轴承钢表面NbC渗层的耐磨与耐蚀性研究第4期较少。本研究以GCr15轴承钢为基体材料，在其表面采用TRD盐浴法制备NbC渗层，并对渗层的摩擦及耐蚀性能进行了研究，为该技术在轴承钢领域的应用提供借鉴1试验材料与方法试验材料GCr15轴承钢的化学成分为（质量分数,%):0.9 5 1.10 C、0.15 0.35 Si0.2 5 0.45Mn、0.0 3P、0.0 2 5S、1.35 1.6 5C r、其余为Fe。采用线切割方式加工成2 0 mm20mm3mm的试样，经6 0 0 目砂纸研磨，并用乙醇清洗后备用。渗处理盐浴成分为：锯铁5%（其中锯含量为6 5%，粒径为150 目）、铝粉3%、四硼酸钠（Na,B407.10H,0）92%。TRD渗锯处理在盐浴埚炉中进行。将四硼酸钠在不锈钢干锅中熔融，随后添加铝和锯铁，其中铝的作用为还原剂，锯铁为渗锯来源。当温度达到1000时，将GCr15轴承钢试样放入不锈钢中，处理时间达到4h后，将试样取出，并直接在油浴中淬火。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、显微硬度计、摩擦性能试验机和腐蚀测试仪对所制备的涂层进行测检。检测前，在沸水中清洗样品，并用细砂纸清理试样表面的盐浴黏着物。对样品表面进行X射线衍射（XRD）分析，扫描角度为30 10 0。采用LEO440扫描电子显微镜对NbC涂层的横截面进行观察。摩擦试验时，采用直径为2 5.4mm的GCr15钢球作为对磨材料，钢球硬度约为6 0 0 HV,转速为500r/min，载荷分别为6 6 5、1459 和18 2 6 g（6.6 5、14.59和18.2 6 N）。对于三种研究荷载，球体压在NbC试样上的平均赫兹接触应力计算为36 0、47 0 和500MPa。通过电位极化试验进行耐蚀性能测试，所用电解液为3.5%NaCl水溶液，以1mV/s的扫描速度获得极化曲线，试样暴露于盐溶液的面积约为0.5cm2O2结果与分析2.1渗层金相组织和X射线衍射分析图1为试样截面的SEM形貌及沿厚度方向EDS线扫描元素分布情况。由图1可知，在基体表面形成了连续的渗层，渗层与基体交接面光滑，同时渗层中可看到微小的孔隙。从表面到内部，Fe元素含量上升，Nb元素含量下降，在渗层与基体的交界面出现了突变。采用扫描电镜自带刻度对渗层厚度进行了测量，渗层厚度为6 m，渗层下部为典型的马氏体组织。图2 为渗层表面的X射线衍射图谱，渗层表面的相组分为NbC。NbFe10um0461012图1GCr15轴承钢表面NbC渗层的截面形貌及元素分布情况Fig.1Cross-section morphology and element distribution of NbClayer on the surface of GCr15 bearing steel300250-200150-1005003040506070809010020()图2GCr15轴承钢表面渗层的X射线衍射图谱Fig.2X-ray diffraction pattern of layer on the surfaceof CCr15 bearing steel2.2磨损性能图3（a）、3（b）为GCr15轴承钢基体及渗Nb处理后，试样在三种不同载荷条件下磨损体积与摩擦距离的关系。由图3（a）可知,GCr15轴承钢基体的磨损量随外加载荷的增加而增加，并且磨损体积随摩擦距离的增加而增加，施加载荷越大，磨损越严重。由图3(b）可知,GCr15轴承钢表面渗Nb处理后，随外加载荷的增加，磨损体积也增加，但与基体相比，在相同条件下磨损大幅下降。渗Nb处理后，当磨损距离超过42 0 m时，磨损量大幅上升。图3(b)中虚线为开始出现渗层磨透的位置，经理论计算，在该位置的磨擦痕迹宽度为0.7 8 7 mm。在三种载荷条件下，虽然渗层磨透的试验距离不同，但都出现了NbC渗层磨透现象。其中，在18.2 6 N载荷条52第44卷热处理技术与装备件下进行磨损试验，渗层在短时间内便发生破坏；但在NbC渗层破裂后，渗层仍然保持了良好的耐磨性，直到磨损测试42 0 m时磨损发生大幅上升为止。这是因为在渗层局部出现磨透后，大部分负载仍由硬质NbC承受,随着基材暴露在外,磨损逐渐增加。本试验是在干摩擦条件下采用不同载荷进行试验的，来自接触区域的磨屑是造成磨损的主要原因。磨损颗粒在测试过程中附着在球表面上，产生切削作用，由于Nbc渗层具有比基体高得多的硬度，可以有效地减轻磨损。0.1870.020a)(b)0.160.0180.01618.26N0.1418.8120.0140.1218.26 N14.59N0.1080.0100.0814.59 N0.060.0060.040.004j工6.65 N0.026.65 N0.0020.0000.001100200300400500600100200300400500600摩擦距离/m摩擦距离/m(a)GCr15轴承钢基体；(b)渗Nb处理后图3不同载荷条件下磨损体积随摩擦距离的变化(a)GCr15 bearing steel substrate;(b)after Nb infiltration treatmentFig.3Change of wear volume with friction distance under different loads图4为GCr15轴承钢基体及渗Nb处理后磨损率随载荷的变化情况。由图4可知，渗Nb处理后样品的磨损率大幅下降。根据载荷的不同，磨损率变化范围为0.9 10-6 1.310-mm/Nm,与渗Nb处理前的1.2 10-5 1.510-5mm/Nm相比，提升了10 倍左右，这是因为在表面形成了高硬度和高耐磨性的NbC渗层。1.6x10-51.410-51.210-5渗Nb处理前8.0 x10-66.0104.0102.0 x10渗Nb处理后0.0680101214161820载荷/N图4渗Nb处理前后磨损率随载荷的变化Fig.4 Change of wear rate with load before and afterNb infiltration treatment2.3耐蚀性能图5为GCr15轴承钢基体及渗Nb处理后电位动力学极化曲线，该曲线包括阴极和阳极区域。由图5可知，在负（阴极）电位下，两条曲线很接近；随着电位上升到正（阳极）电位时，NbC渗层的极化曲线向更高电位移动，耐蚀性得到提升；但当阳极电位升高至大于2 50 mV时，两条曲线再次接近。因此，电位低于2 50 mV时，NbC渗层改善了CCr15轴承钢的耐蚀性。1.251.000.750.500.250.00渗Nb处理后-0.25-0.50-0.75渗Nb处理前-1.00-1.251E-7 1E-6 1E-5.1E-4 1E-330.010.1电流密度/Acm-2图5渗Nb处理前后电位动力学极化曲线Fig.5 Potentiodynamic polarisation curves before and afterNb infiltration treatment3结论1)采用盐浴渗Nb的方法，可以在GCr15表面获得均匀的NbC渗层2)渗层由立方NbC组成，在NbC渗层下方未检测到明显的脱碳现象。3)渗Nb处理后，GCr15轴承钢的耐磨性大幅提上接第42 页）53宗晓明等：CCr15轴承钢表面NbC渗层的耐磨与耐蚀性研究第4期升，磨损量随载荷的增加而增加，与基体材料相比，耐磨性提升了10 倍。4)耐蚀性试验结果表明，电位低于2 50 mV时，渗Nb处理后GCr15轴承钢的耐蚀性得到提升。参考文献1Gomez-Vargas O A,Keddam M,Ortiz-Dominguez M.Kinetics and tribological characterization of pack-boridedAISI 1025 steel J.High Temp Mater Processes,2017(3):197-208.2Krelling A P,Milan J C G,da Costa C E.Tribological be-haviour of borided H13 steel with different boriding agentsJ.Surf Eng,2015(8):581-587.3Medvedovski E,Jiang J R,Robertson M.Tribologicalproperties of boride based thermal diffusion coatings J.Adv Appl Ceram,2014(7):427-437.4严意宏，胡强，余玖明，等.铜合金的脉冲等离子爆炸3结论7055铝合金环形模锻件采用双级淬火+双级时效的T73热处理制度：双级火450 18 0 min+4702 0 0 m i n，6 0 水冷；双级人工时效11512h+15530 h，空冷。锻件高向的抗拉强度平均值为517.12 MPa、最高为531MPa，屈服强度平均值为48 2.0 8 MPa、最高为50 1MPa,延伸率平均值为8.63%、最高为11.0%；锻件横向的抗拉强度平均值为56 4.7 5MPa、最高为58 8 MPa，屈服强度平均值为527.25MPa、最高为556 MPa，延伸率平均值为9.42%，最高为10.0%，其力学性能优异。轰击表面处理 J.热处理技术与装备，2 0 18,39（1)：14-18.5Elias-Espinosa M,Ortiz-Dominguez M,Keddam M,et al.Boriding kinetics and mechanical behaviour of AISI O1steelJ.Surf Eng,2015,31(8):588-597.6Uslu I,Comert H,Ipek M,et al.Evaluation of boridesformed on AISI P20 steelJ.Mater Des,2007,28(1):55-61.7Kayali Y.Investigation of the diffusion kinetics of borndedstainless steelsJ.Phys Met Metall,2013(12):1061-1068.8陈龙，颉潭成，夏新涛.滚动轴承应用技术 M.北京：机械工业出版社，2 0 10.9Cimenoglu H,Atar E,Motallebzadeh A.High temperaturetribological behaviour of borided surfaces based on thephase structure of the boride layer J.Wear,2014(1/2):152-158.参考文献1GB/T344802017喷射成型锭坏锻制的铝合金锻件S.2曹春晓.锻压手册M.北京：机械工业出版社，2 0 0 7.3 王建国，王祝堂.航空航天变形铝合金的进展 J.轻合金加工技术,2 0 13,41(10)：1-14.4GB/T31902008变形铝及铝合金化学成分 S.5林鹏，陈俊锋，邹林池，等.铝合金的时效成型技术 J.热处理技术与装备，2 0 14,35（6)：15-2 1.6解豪杰，岳战国，王亚安，等.7 0 55铝合金锻件开裂的原因及预防措施 J.轻合金加工技术，2 0 2 2，50（10）：49-52.