零件耐磨性研究

零部件磨損失效是材料小斷地從零件表而流失的過程，是個(gè)漸變、逐步發(fā)展的過程。磨損是個(gè)非常普遍的現(xiàn)象，零件的重量、尺寸和形狀等物理參量均會(huì)在磨損過程中發(fā)生變化，進(jìn)而影響機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至對(duì)機(jī)械造成毀滅性破壞。提高機(jī)械零部件耐磨性，一直是材料研究的一個(gè)重要課題。本文從傳統(tǒng)工藝和現(xiàn)代工藝兩方面簡(jiǎn)要介紹一下。

1 傳統(tǒng)工藝

傳統(tǒng)工藝中，提高零件的耐磨性，主要方法是進(jìn)行表面熱處理，即鋼的表面淬火和化學(xué)熱處理。

1.1 鋼的表面淬火

鋼的表面淬火是一種不改變剛表層化學(xué)成分，但改變表層組織的局部處理方法。它是通過快速加熱，使鋼的表層奧氏體化，在熱量尚未充分傳至中心時(shí)立即予以淬火冷卻，使表層獲得硬而耐磨的馬氏體組織，而心部組織保持不變。根據(jù)加熱方法的不同，表面淬火可分為感應(yīng)淬火、火焰淬火、電解液淬火、激光淬火和電子束淬火等。其中感應(yīng)淬火在生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。

感應(yīng)淬火法原理是把工件放入由空心銅管繞成的感應(yīng)器（線圈）中，感應(yīng)器中通過一定頻率的交流電以產(chǎn)生交變磁場(chǎng)于是工件內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生頻率相同、方向相反的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流在工件內(nèi)自成回路，故稱為“渦流”。渦流在工件截面上的分布是不均勻的，表面密度大，中心密度小，通入感應(yīng)器的頻率越高，渦流集中的表面層越薄，這種現(xiàn)象稱為“集膚效應(yīng)”。由于鋼本身具有電阻，因而集中于工件表層的渦流，可以使表層迅速被加熱到淬火溫度，而心部溫度仍接近室溫，所以，在隨即噴水快速冷卻后，就達(dá)到了表面淬火的目的。由于通入感應(yīng)器的電流頻率越高，感應(yīng)渦流的集膚效應(yīng)就越強(qiáng)烈，故電流透入深度就越薄。

1.2 鋼的化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，是一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。它和表面淬火的主要區(qū)別就是表層不僅有組織變化，而且化學(xué)成分也發(fā)生了變化。當(dāng)工件加熱到一定溫度后，通常經(jīng)歷分解、吸收和擴(kuò)散三個(gè)基本過程。目前在機(jī)械制造中，最常用的化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮和碳氮共滲。

滲碳是把鋼置于滲碳介質(zhì)（又稱滲碳劑）中，加熱到單相奧氏體區(qū)，保溫一定時(shí)間使碳原子滲入表層的化學(xué)熱處理工藝。滲氮是在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。目前應(yīng)用的滲氮方法主要有氣體滲氮和離子滲氮。碳氮共滲是向鋼的表面同時(shí)滲入碳和氮原子的過程。碳氮共滲的方法有液體碳氮共滲和氣體碳氮共滲，其中氣體碳氮共滲在生產(chǎn)中應(yīng)用較廣。

2 現(xiàn)代工藝

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在提高零件耐磨性方面出現(xiàn)了很多新的工藝，其中等離子熔覆技術(shù)、DLC表面處理和深冷處理技術(shù)比較具有代表性。

2.1 等離子熔覆技術(shù)

等離子熔覆技術(shù)是采用等離子束為熱源，在金屬表面獲得優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐熱、耐沖擊等性能 的新型材料表面改性技術(shù)。在按照程序軌跡運(yùn)行的DC—Plasma—Jet等離子束流的高溫下，高能束流熔敷的過程是把合金粉末利用同步送粉器送到需要進(jìn)行強(qiáng)化處理的工件表面，同時(shí)利用高能束流輻照使合金粉末熔化，工件表面淺層同時(shí)熔化，在工件表面形成合金熔池，高能束流 束移開之后，在工件自身的快速熱傳導(dǎo)以及工件周圍空氣的輻射傳熱作用下，合金熔池快速凝固，從而形成成分均勻、致密、組織細(xì)小均勻、無(wú)顯微氣孔及裂紋，同工件形成良好冶金結(jié)合的高質(zhì)量冶金涂層。

目前，等離子束熔覆大多采用噴涂用Ni基、Co基和Fe基自熔合金粉末，向自熔合金中添加WC、TiC等陶瓷相及陶瓷形成元素，可形成陶瓷復(fù)合涂層或梯度涂層。熱噴涂粉末結(jié)晶溫度區(qū)間大，應(yīng)用于等離子束熔覆時(shí)，涂層氣孔和裂紋傾向增大。等離子熔覆屬于一種表面快速冶金過程，可得到符合相圖的各種合金，也可得到遠(yuǎn)離平衡的超合金。因而開發(fā)等離子熔覆專用材料將是等離子熔覆研究的重要方向之一。

2.2 DLC表面處理

DLC膜是類金剛石碳（Diamond-like carbon）膜的簡(jiǎn)稱，是一類物理和化學(xué)性質(zhì)類似于金剛石且具有獨(dú)特摩擦學(xué)特性的非晶碳膜。DLC膜易于大面積沉積，沉積速度快，沉積溫度低，可采用金屬和非金屬材料作為襯底，加之其具有較高的硬度、良好的化學(xué)惰性及生物相容性、優(yōu)異的耐磨性及極低的摩擦系數(shù)、優(yōu)異的紅外透光性等優(yōu)點(diǎn)所以具，有重大的實(shí)用價(jià)值。利用DLC膜的耐磨性和潤(rùn)滑性，美國(guó)Gillette公司將DLC膜應(yīng)用在剃須刀片，使剃須刀更加鋒利、舒適之后，近二十年來，DLC膜工藝發(fā)展迅速，已逐漸從實(shí)驗(yàn)室研究階段向大規(guī)模應(yīng)用階段轉(zhuǎn)變。目前，DLC膜應(yīng)用廣泛，制備技術(shù)日益成熟，常見的主要有等離子體輔助化學(xué)氣相沉積（PECVD）法和物理氣相沉積（PVD）法。

技術(shù)人員曾做過實(shí)驗(yàn)比較高速鋼有無(wú)沉積DLC薄膜的性能，實(shí)驗(yàn)表明不同轉(zhuǎn)速、不同潤(rùn)滑條件下，DLC表面處理能夠明顯提高高速鋼的耐磨性能；相同DLC表面處理的高速鋼在低速下的摩擦磨損性能明顯比在高速下的好；在干摩擦或油潤(rùn)滑條件下，DLC表面處理可以有效地作為高速鋼的減磨涂層。

2.3 深冷處理技術(shù)

深冷處理是相對(duì)于熱處理而言，用于改變金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善材料的力學(xué)性能和加工性能的一種工藝方法。一般將0～-100℃的冷處理定義為普通冷處理；將冷卻溫度低于-130℃的冷處理稱為深冷處理。深冷處理是以液氮為冷卻介質(zhì)對(duì)材料進(jìn)行處理的方法，是目前最新的強(qiáng)韌化處理工藝之一。

深冷處理一般采用液氮作為制冷劑，它不僅制冷溫度低（可達(dá)-196℃），而且經(jīng)濟(jì)方便，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。以液氮為制冷劑進(jìn)行深冷處理可分為兩種方式。一種是液體法，即液氮浸泡式制冷，它是將工件直接放入裝有液氮的容器中，使工件驟冷至液氮溫度 ，并在此溫度下保溫一定時(shí)間，最后回復(fù)至室溫完成深冷處理。采用液氮直接深冷的處理工藝，由于液氮直接與被處理工件接觸，降溫速率很快，會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力過大，產(chǎn)生熱沖擊作用，容易對(duì)工件材料造成組織損害，甚至對(duì)某些材料產(chǎn)生低溫快冷脆斷現(xiàn)象，而且工件在降溫過程中降溫速率難以控制，影響工藝的可控性。另一種方法是氣體法，利用液氮的汽化潛熱或低溫氮?dú)庵评?，即使低溫氮?dú)馀c材料接觸，通過對(duì)流換熱，使氮?dú)饨?jīng)噴管噴出后在深冷箱中汽化，利用汽化潛熱及低溫氮?dú)馕鼰嶙饔檬构ぜ禍?，通過控制液氮的輸入量來控制降溫速率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)深冷處理溫度的自動(dòng)可調(diào)，精確控制，且無(wú)熱沖擊作用，在研究中被廣泛采用。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)黑色金屬的深冷處理工藝一般采用兩種方法。一種是深冷-急熱法，即深冷后快速升溫的處理工藝；另一種為冷-熱循環(huán)處理法。兩種方法均可以降低材料的內(nèi)應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性，減少加工變形，提高強(qiáng)度和韌性，改善力學(xué)性能。但兩種方法相比較而言，后者較前者的處理效果好一些。冷熱循環(huán)法降低應(yīng)力的主要原因是材料發(fā)生塑性變形釋放了一部分彈性應(yīng)變，每次冷-熱循環(huán)均會(huì)產(chǎn)生變形從而使材料原有的殘余應(yīng)力降低，經(jīng)多次冷-熱循環(huán)處理，殘余應(yīng)力消除比較徹底，材料力學(xué)性能可得到較大改善。

作者簡(jiǎn)介

蔡浩（1990—），男，河北省大城縣人，杭州士官學(xué)校，教員，研究方向：彈藥與火炮修理。