李業(yè)林, 賈 波, 史正良, 胡文祥, 關(guān)蘊(yùn)奇, 鄭慧蕓

(1. 空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 珠海 519070;2. 廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 珠海 519070;3. 珠海格力電器股份有限公司, 廣東 珠海 519070)

灰鑄鐵具有自潤滑性能優(yōu)良、成本低等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于空調(diào)壓縮機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)副的主要基材,但隨著對(duì)臭氧層有破壞作用及加劇溫室效應(yīng)的低壓縮比傳統(tǒng)工質(zhì)逐漸被高壓縮比的R32、R410A、R290、CO2等環(huán)保工質(zhì)替代,壓縮機(jī)也逐步向高速重載的方向發(fā)展,對(duì)壓縮機(jī)的性能也提出了更高的要求,而現(xiàn)有灰鑄鐵自身的摩擦學(xué)性能已無法滿足不斷惡劣的工況,由此導(dǎo)致的磨損反而加劇了壓縮機(jī)的泄漏,電機(jī)的功率損耗加大,壓縮機(jī)的發(fā)展受到限制[1-3]。目前,提高灰鑄鐵摩擦學(xué)性能的常規(guī)方案是磷化處理,在灰鑄鐵表面形成具有吸附、儲(chǔ)油功能的磷酸鹽結(jié)晶膜,提升零件表面的潤滑效果,達(dá)到降低摩擦因數(shù)、防止咬合擦傷和降低噪聲的目的。但磷酸鹽結(jié)晶膜表面晶粒彌散度高,結(jié)合不致密,耐磨性差[4-6],膜層在壓縮機(jī)重載運(yùn)行時(shí)易脫落,難以維持壓縮機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性,業(yè)界各方均也在尋求更好的灰鑄鐵摩擦學(xué)性能的解決方案。

采用化學(xué)熱處理工藝對(duì)鐵或鋼滲硫處理后可在其表面形成以FeS為主的固體潤滑膜,且FeS為密排六方層狀晶體結(jié)構(gòu),具有低硬度、低剪切強(qiáng)度和低變形抗力等特點(diǎn),受力時(shí)易沿密排面滑移,摩擦因數(shù)降低,耐磨性能提升,即其摩擦學(xué)性能優(yōu)異[7-8]。很多學(xué)者對(duì)金屬表面滲硫工藝及FeS固體潤滑層的作用機(jī)理進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究:祝國榮等[9]研究了20Cr2Ni4A鋼低溫離子滲硫?qū)拥哪Σ聊p性能及機(jī)理;房頂?shù)萚10]研究了一定溫度下鹽液滲硫法在鐵基粉末冶金表面形成滲硫?qū)拥哪Σ聊p性能;張國濤等[11]研究了含油軸承材料表面低溫液體滲硫?qū)拥谋砻嫘蚊?、元素組成及摩擦因數(shù)和磨損程度隨時(shí)間的變化關(guān)系,進(jìn)而得出滲硫?qū)拥臏p摩機(jī)理;Xie等[12]研究了42MnCr52鋼表面激光淬火-低溫離子滲硫復(fù)合表面處理形成的復(fù)合膜層在高溫下的減摩耐磨性能;唐令等[13]總結(jié)了影響鑄鐵缸套-活塞環(huán)摩擦磨損行為的重要因素,并詳細(xì)綜述了表面改性、表面涂覆和表面復(fù)合處理技術(shù)在缸套-活塞環(huán)表面強(qiáng)化中的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀,其化學(xué)熱處理中的滲入元素(含硫元素)使得晶體位錯(cuò)密度增加,降低裂紋擴(kuò)展速率并阻止位錯(cuò)移動(dòng),同時(shí)形成摩擦性能良好的化合物層;Li等[14]研究了SKD61鋼表面等離子硫氮共滲后的相組成及耐磨性能;Zuo等[15]研究發(fā)現(xiàn),硼碳共滲與硫化復(fù)合處理形成的復(fù)合層能顯著降低2Cr13不銹鋼的摩擦因數(shù)并提高2Cr13不銹鋼的耐磨性。Zhao等[16]研究了采用低溫離子滲硫工藝在CrMoCu合金鑄鐵網(wǎng)狀激光表面淬火表面形成的滲硫?qū)拥哪Σ翆W(xué)性能。Ba等[17]研究了低溫離子滲硫技術(shù)在表面納米晶堆焊層上制備的含硫化物固體潤滑膜的摩擦磨損性能。張敏怡[18]基于空心陰極離子源擴(kuò)滲方法,采用氮碳硫多元共滲對(duì)摩擦副硬表面進(jìn)行改性,針對(duì)42CrMo、1Cr12MoV和Cr4Mo4V等3種典型航空液壓泵材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究,并對(duì)擴(kuò)滲參數(shù)和工藝進(jìn)行了優(yōu)化,其研究結(jié)果顯示多元改性層的硬度、耐磨性、自潤滑性和對(duì)磨面的保護(hù)均有明顯提升。焦玉琳等[19]研究了1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼表面的納米化/滲硫?qū)?發(fā)現(xiàn)復(fù)合處理層能有效降低其摩擦因數(shù)及提升其耐磨性。王海港等[20]研究發(fā)現(xiàn),采用激光熔覆、超聲滾壓和離子滲硫在45鋼表面制備的復(fù)合改性層使得其耐磨性能提升,其摩擦因數(shù)也得到降低。以上文獻(xiàn)對(duì)滲硫?qū)拥难芯恐饕性阡摗㈣F基粉末冶金及合金鑄鐵等材料,圍繞這些材料進(jìn)行的研究也較為深人,并取得了大量?jī)?yōu)異的研究成果,但對(duì)常規(guī)灰鑄鐵表面滲硫?qū)幽Σ翆W(xué)性能的研究卻鮮見報(bào)道。本文通過SEM-EDS、XRD、納米壓痕儀、X射線應(yīng)力分析儀、銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、三維白光干涉儀等試驗(yàn)分析儀器,研究了常規(guī)灰鑄鐵表面滲硫?qū)拥奈⒂^組織、硬度、殘余應(yīng)力、摩擦磨損性能,并與目前壓縮機(jī)零部件常用的磷酸鹽層固體潤滑層作對(duì)比分析,以期為后續(xù)壓縮機(jī)節(jié)能提效提供技術(shù)儲(chǔ)備。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用灰鑄鐵為國內(nèi)某公司生產(chǎn)的鑄造態(tài)HT250,其石墨形態(tài)為A型,石墨長(zhǎng)度等級(jí)為4級(jí),珠光體數(shù)量為75%～85%,化學(xué)成分如表1所示。

表1 灰鑄鐵HT250的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

采用標(biāo)準(zhǔn)浸漬式磷化工藝在灰鑄鐵表面制備磷酸鹽層,常溫下用表面調(diào)整劑對(duì)灰鑄鐵表面進(jìn)行60 s的調(diào)整處理,來改變其表面微觀狀態(tài),以加速后續(xù)步驟磷酸鹽層的形成,選用國內(nèi)某公司的PF-M1AM錳系磷化基礎(chǔ)液作為磷化浸漬液,浸漬溫度為85 ℃,浸漬時(shí)間為160 s。灰鑄鐵的滲硫?qū)硬捎玫蜏仉x子滲硫工藝制備,處理設(shè)備為L(zhǎng)GM-500型低溫離子滲硫爐,脈沖電壓為1000 V,真空度為100 Pa,保溫溫度為150 ℃,滲硫時(shí)間為9 h。

1.2 試驗(yàn)方法

采用FEI Quantan250 FEG掃描電鏡(SEM)觀察灰鑄鐵表面固體潤滑層的表面形貌及經(jīng)研磨拋光后的截面形貌,并使用配套的Energy350型能譜儀(EDS)分析固體潤滑層的厚度及元素分布。采用Fischerscope HM2000納米壓痕儀對(duì)表面處理前后的灰鑄鐵表面進(jìn)行硬度測(cè)量,加載載荷為15 mN,保壓時(shí)間為5 s,試驗(yàn)過程中壓頭要避開石墨。采用Rigaku Minin Flex600型X-射線衍射儀(XRD)分析灰鑄鐵表面固體潤滑層的相組成,測(cè)試采用CuKα射線,電壓為40 kV,電流為35 mA,掃描速度為4°/min。采用Rigaku Auto mateⅡ微區(qū)X射線應(yīng)力分析儀分析表面處理前后的灰鑄鐵表面殘余應(yīng)力,測(cè)試采用CuKα射線,電壓為40 kV,電流為40 mA,掃描范圍為156.08°±10°,掃描步長(zhǎng)為0.1°。

采用如圖1(a)所示的MMW-1銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試灰鑄鐵基體及灰鑄鐵表面具有固體潤滑層的摩擦因數(shù),其中上摩擦試件為未做表面處理的灰鑄鐵,下摩擦試件分別為灰鑄鐵基體、表面具有磷化層的灰鑄鐵及表面具有滲硫?qū)拥幕诣T鐵,潤滑介質(zhì)為PVE潤滑油,試驗(yàn)載荷為300 N,轉(zhuǎn)速為1200 r/min,試驗(yàn)時(shí)間為30 min。采用如圖1(b)所示的Falex 001-001-331環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試灰鑄鐵表面固體潤滑層的耐磨性能,其中,環(huán)試樣為未做任何表面處理的灰鑄鐵,塊試樣分別為灰鑄鐵基體、表面具有磷化層的灰鑄鐵及表面具有滲硫?qū)拥幕诣T鐵,潤滑介質(zhì)為PVE潤滑油,試驗(yàn)載荷為360 N,轉(zhuǎn)速為1000 r/min,試驗(yàn)時(shí)間為60 min。

圖1 摩擦磨損試驗(yàn)示意圖(a)銷-盤;(b)環(huán)-塊Fig.1 Schematic diagrams of the friction and wear test(a) pin-disc; (b) ring-block

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微觀結(jié)構(gòu)與物相組成

圖2為灰鑄鐵表面固體潤滑層的SEM圖。從圖2(a)可以看出,灰鑄鐵表面的磷酸鹽層由塊狀晶體顆粒組成,呈規(guī)則、均勻的密集排列,并在基體表面堆積形成了很多彌散度較高的疏松微孔結(jié)構(gòu)[4],這些晶體顆粒的尺寸為5.0～8.5 μm。從圖2(b)可以看出,灰鑄鐵表面滲硫?qū)佑纱罅烤鶆蚍稚⒌镊[片狀結(jié)構(gòu)組成,鱗片與鱗片之間的疏松堆積形成了很多微小的孔隙結(jié)構(gòu),且鱗片的尺寸為2.0～4.0 μm。

圖2 灰鑄鐵表面潤滑層的SEM圖(a)磷酸鹽層;(b)滲硫?qū)覨ig.2 SEM images of solid lubricating layers on the gray cast iron surface(a) phosphate layer; (b) sulfurized layer

灰鑄鐵表面固體潤滑層的EDS和XRD測(cè)定結(jié)果如圖3所示。不考慮容易造成干擾的碳元素及基體相α-Fe、C(石墨)、Fe3C的影響時(shí),磷酸鹽層中磷元素含量為14.79%,明顯高于基體,并具有Mn3(PO4)2·3H2O和(Mn, Fe)3(PO4)2·4H2O兩個(gè)相,符合灰鑄鐵磷化處理后的預(yù)期結(jié)果。不考慮容易造成干擾的碳、氧、硅、錳等元素及基體相α-Fe、C(石墨)、Fe3C的影響時(shí),滲硫?qū)恿蛟睾窟_(dá)到10.54%,并具有FeS相和少量FeS2相,表明滲硫處理已使灰鑄鐵表面生成了目標(biāo)硫化物。

圖3 灰鑄鐵表面固體潤滑層的EDS譜圖(a, c)及XRD譜圖(b, d)(a,b)磷酸鹽層;(c,d)滲硫?qū)覨ig.3 EDS spectra(a, c) and XRD patterns(b, d) of solid lubricating layers on the gray cast iron surface(a,b) phosphate layer; (c,d) sulfurized layer

2.2 膜厚與表面硬度

灰鑄鐵表面固體潤滑層截面的EDS單一元素含量線掃描分析結(jié)果如圖4所示,其中磷酸鹽層的磷元素在接近表面約6 μm處的含量增大,滲硫?qū)拥牧蛟卦诮咏砻婕s4 μm處的含量增大,判定磷酸鹽層和滲硫?qū)拥暮穸确謩e為6 μm和4 μm,但滲硫?qū)优c基體金屬之間呈鋸齒交錯(cuò)狀接觸,結(jié)合緊密,耐久性稍好,因此稍厚的磷酸鹽層和耐久性稍好的滲硫?qū)佣寄茉谝欢螘r(shí)間內(nèi)保持良好的減摩潤滑性能。

圖4 灰鑄鐵兩種固體潤滑層截面的EDS單一元素含量線掃描分析結(jié)果(a)磷酸鹽層;(b)滲硫?qū)覨ig.4 EDS single element analysis results in cross-section of solid lubricating layer on the gray cast iron surface(a) phosphate layer;(b) sulfurized layer

圖5為灰鑄鐵表面處理前后硬度的變化情況。從圖5可以看出,灰鑄鐵基材(S)的硬度為213.2 HV0.0015,灰鑄鐵經(jīng)磷化(S+P)處理生成的磷酸鹽層的表面硬度降低至158.9 HV0.0015,與未磷化處理的基材相比硬度降低了25.5%;灰鑄鐵經(jīng)滲硫(S+S)處理后生成的滲硫?qū)拥谋砻嬗捕壬杂薪档?為196.6 HV0.0015,與未做滲硫處理的基材相比硬度降低了7.8%,即磷酸鹽層的表面硬度較滲硫?qū)拥牡?而一般金屬材料的耐磨性和硬度呈正相關(guān)的關(guān)系,因此單從硬度作對(duì)比分析,灰鑄鐵表面磷酸鹽層的耐磨性會(huì)比滲硫?qū)由圆睢?/p>

圖5 灰鑄鐵表面處理前后的硬度Fig.5 Hardness of the gray cast iron before and after surface treatment

2.3 表面殘余應(yīng)力

圖6為灰鑄鐵表面處理前后表面殘余應(yīng)力的變化情況。殘余應(yīng)力是由金屬內(nèi)部晶體的位錯(cuò)、變形所引起,一般零件摩擦面的殘余壓應(yīng)力越大,耐磨性也越好,而殘余應(yīng)力的釋放需要進(jìn)行500～650 ℃高溫去應(yīng)力退火或長(zhǎng)期放置處理。采用微區(qū)X射線應(yīng)力分析儀測(cè)試應(yīng)力的最大深度為10 μm。從圖6可以看出,灰鑄鐵基材(S)以及經(jīng)磷化(S+P)及滲硫(S+S)處理后的灰鑄鐵表面的殘余應(yīng)力的差值相對(duì)較小,最大差值約為100 MPa,這是因?yàn)闈櫥瑢雍穸容^薄,而磷化層的厚度約為6 μm,滲硫?qū)拥暮穸燃s為4 μm,磷化層及滲硫?qū)拥臍堄鄳?yīng)力是連帶一部分基體區(qū)域一起進(jìn)行測(cè)試。其中,灰鑄鐵基材(S)的表面殘余應(yīng)力最大,而經(jīng)磷化(S+P)及滲硫(S+S)處理后,表面殘余應(yīng)力都降低,其中磷化處理形成的磷酸鹽層的殘余應(yīng)力最小,這是因?yàn)榱谆幚淼谋举|(zhì)是灰鑄鐵與磷化液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的過程,在該過程中,并未引起灰鑄鐵內(nèi)部晶體發(fā)生位錯(cuò)及變形,沉積形成的磷酸鹽層亦不會(huì)有殘余應(yīng)力的產(chǎn)生,因此磷酸鹽層的耐磨性較差。同時(shí),該磷酸鹽層也會(huì)削弱X射線的穿透率,導(dǎo)致殘余應(yīng)力的測(cè)試值變小,但磷酸鹽層覆蓋基體表面的殘余應(yīng)力實(shí)質(zhì)并未發(fā)生改變。而滲硫處理后生成滲硫?qū)拥谋砻鏆堄鄳?yīng)力的變化很小,這是由于低溫滲硫工藝的處理溫度僅為200～300 ℃,并未達(dá)到鑄鐵的去應(yīng)力退火溫度,灰鑄鐵內(nèi)部晶體未發(fā)生位錯(cuò)及變形,所以滲硫處理后對(duì)基材的耐磨性影響較小。因此從殘余應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析,滲硫?qū)拥哪湍バ詴?huì)比磷酸鹽層的稍好。

圖6 灰鑄鐵表面處理前后的殘余應(yīng)力Fig.6 Residual stress of the gray cast iron before and after surface treatment

2.4 摩擦磨損性能

2.4.1 銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)

灰鑄鐵基體及表面固體潤滑層摩擦磨損試驗(yàn)后的磨痕SEM圖如圖7所示。從圖7可以看出,灰鑄鐵基體、磷酸鹽層及滲硫?qū)拥谋砻娑季哂心チ澓?即都出現(xiàn)了不同程度的磨粒磨損。其中,灰鑄鐵基體的磨痕深,還出現(xiàn)了疲勞裂紋及尺寸較大的塊狀疲勞凹坑,因此基體表面發(fā)生了疲勞磨損及高應(yīng)力碾碎式磨粒磨損;灰鑄鐵表面磷酸鹽層的磨痕深度次之,但由于磷酸鹽晶體的脆性大,內(nèi)聚力弱,更易出現(xiàn)疲勞失效的情況,這就會(huì)導(dǎo)致磷酸鹽層被磨掉而露出基體后,表面出現(xiàn)數(shù)量多且尺寸稍小的疲勞凹坑;灰鑄鐵表面滲硫?qū)拥膭澓酆軠\,無疲勞凹坑及疲勞裂紋,因此滲硫?qū)拥谋砻鎯H出現(xiàn)低應(yīng)力劃傷式磨粒磨損。

圖7 灰鑄鐵表面磨痕的SEM圖(a)基體;(b)磷酸鹽層;(c)滲硫?qū)覨ig.7 SEM images of wear marks on surface of the gray cast iron (a) substrate; (b) phosphate layer; (c) sulfurized layer

灰鑄鐵基體及表面固體潤滑層的摩擦因數(shù)如圖8所示。從圖8可以看出,未做任何表面處理的灰鑄鐵上試件在與下試件灰鑄鐵基體(S)對(duì)磨時(shí)的摩擦因數(shù)整體不平穩(wěn),在后期出現(xiàn)較大的波動(dòng),在與灰鑄鐵表面具有磷酸鹽層(S+P)和滲硫?qū)?S+S)的下試件對(duì)磨時(shí)的摩擦因數(shù)都有降低,平穩(wěn)性也更好。與磷酸鹽層對(duì)磨比與灰鑄鐵基體直接對(duì)磨的摩擦因數(shù)低了約39.3%,與滲硫?qū)訉?duì)磨比與灰鑄鐵基體直接對(duì)磨的摩擦因數(shù)低了約53.6%,而與滲硫?qū)訉?duì)磨比與磷酸鹽層對(duì)磨的摩擦因數(shù)降低23.5%左右。

圖8 灰鑄鐵基體及表面固體潤滑層的摩擦因數(shù)(a)瞬時(shí)摩擦因數(shù);(b)平均摩擦因數(shù)Fig.8 Friction coefficient of substrate and solid lubrication layer of the gray cast iron(a) instantaneous friction coefficient; (b) average friction coefficient

在摩擦磨損試驗(yàn)過程中,摩擦副為同種金屬材料時(shí)互熔性較大,更易出現(xiàn)金屬粘著的情況,甚至還會(huì)出現(xiàn)膠合、咬合等更嚴(yán)重的情況,而且油膜也被嚴(yán)重破壞,滑動(dòng)、刮傷和撕脫不斷發(fā)生,也有部分尺寸較大的硬質(zhì)異物顆粒嵌入基體中,致使粘著磨損及磨粒磨損加劇。磷酸鹽層表面的晶體顆粒呈脆性易斷裂的特性,更易出現(xiàn)疲勞斷裂失效而導(dǎo)致脫落的情況,但其抗粘著能力較純金屬基體更優(yōu);而滲硫?qū)又芯哂蠪eS和FeS2等金屬化合物,比單相固溶體的純金屬基體發(fā)生粘著磨損的幾率更低,且FeS相具有良好的減摩潤滑作用,這也是滲硫?qū)拥哪Σ烈驍?shù)最低的主要影響因素。同時(shí),磷酸鹽層和滲硫?qū)颖砻娴奈⒖锥寄軌蚱鸬絻?chǔ)油潤滑的作用,零件表面形成的油膜更不易被破壞,形成的油膜避免了零部件間的直接接觸,進(jìn)而提升了對(duì)磨零部件間的自潤滑性能、抗疲勞性能和抗咬合性能,這也是磷酸鹽層和滲硫?qū)幽Σ烈驍?shù)較基體低的一個(gè)影響因素。

2.4.2 環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)

圖9為利用白光干涉儀測(cè)得灰鑄鐵基體及表面潤滑層在摩擦磨損試驗(yàn)后的磨痕形貌。依據(jù)ASTM G77-05Standardtestmethodforrankingresistanceofmaterialstoslidingwearusingblock-on-ringweartest標(biāo)準(zhǔn),在磨痕的3處位置量取,然后取平均值,比對(duì)得出灰鑄鐵基體及表面潤滑層的磨損體積,結(jié)果如表2所示。由圖9和表2可知,在同一載荷條件下,由于試驗(yàn)載荷較大,超出磷酸鹽層的支撐能力,所以磷酸鹽層的磨痕較寬,而基體及滲硫?qū)拥哪ズ蹖挾认嗖畈⒉淮?。其?磷酸鹽層的磨損體積比基體增加約37.5%,而滲硫?qū)拥哪p量卻比基體低約6.0%,降低幅度雖然不大,但滲硫?qū)拥哪p量卻比磷酸鹽層低約31.6%,這主要是由于磷酸鹽層為粗大、疏松、多孔的塊狀晶體結(jié)構(gòu),晶體的脆性大,沉積的膜層內(nèi)聚力弱,在受到摩擦力等剪切力的作用時(shí)容易失效脫落;而滲硫?qū)邮橇蛟叵蚧w內(nèi)部滲透以共價(jià)鍵方式結(jié)合形成的化合物,即使受到摩擦力等剪切力的作用,其也不易出現(xiàn)脫落失效,因此滲硫?qū)拥哪湍バ阅鼙攘姿猁}層優(yōu)良。

圖9 灰鑄鐵基體及表面潤滑層磨損后的磨痕形貌(a)基體;(b)磷酸鹽層;(c)滲硫?qū)覨ig.9 Morphologies of wear scars on the substrate and solid lubrication layer of the grey cast iron(a) substrate; (b) phosphate layer; (c) sulfurized layer

表2 灰鑄鐵基體及表面潤滑層的平均磨痕寬度和磨損體積

綜合來看,磷酸鹽層只能起到縮短摩擦副的磨合期的作用,以及對(duì)輕載運(yùn)行的摩擦副能起到一定的減摩潤滑的作用,其在重載的工況下失效較快;而滲硫?qū)硬粌H兼具磷酸鹽層減摩潤滑的優(yōu)點(diǎn),且其減摩性能和耐磨性能比磷酸鹽層更優(yōu),即使在重載工況下也能保持良好的減摩耐磨性能,因此滲硫?qū)痈m用于工況較復(fù)雜、載荷較重的摩擦配副的零部件。

2.4.3 減摩機(jī)理分析

根據(jù)銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果,滲硫?qū)拥哪Σ烈驍?shù)比磷酸鹽層的低,主要因素分為兩個(gè)方面:一方面,對(duì)比PDF卡后,磷酸鹽層的Mn3(PO4)2·3H2O相晶胞的晶格常數(shù)為a=8.788 nm、b=11.434 nm、c=6.255 nm、α=90°、β=98.98°、γ=90°,空間群為P21/c,(Mn, Fe)3(PO4)2·4H2O相晶胞的晶格常數(shù)為a=17.099 nm、b=12.694 nm、c=8.282 nm、α=90°、β=95.91°、γ=90°,空間群為P2/a,所以這兩相都是不易發(fā)生滑移的單斜晶體結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的減摩性能稍差。而滲硫?qū)拥腇eS2相晶胞的晶格常數(shù)為a=b=c=5.418 nm、α=β=γ=90°,空間群為Pa-3,因此該相晶體為面心立方結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定,不易發(fā)生滑移,但該相的衍射峰并不強(qiáng)(見圖3(d)),且占比不大;而滲硫?qū)拥腇eS相晶胞的晶格常數(shù)為:a=b=3.246 nm、c=5.301 nm、α=β=90°、γ=120°,空間群為P63/mmc,因此該相晶體為密排六方層狀結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有硬度低、抗變形力小、剪切強(qiáng)度低、受力時(shí)密排面易滑移等特點(diǎn),因此該相具有良好的減摩潤滑性能,且該相的占比最大(見圖3(d)),減摩潤滑的效果也更明顯。

另一方面,由灰鑄鐵未處理基體(即上試件)分別與基體及表面固體潤滑層(即下試件)磨損后的磨痕形貌(見圖10)可以看出,與灰鑄鐵基體直接對(duì)磨后上試件摩擦面的磨痕深度比與灰鑄鐵表面磷酸鹽層對(duì)磨的更深,且未做任何表面處理的灰鑄鐵上試件的摩擦面均無其他新元素增加,而與灰鑄鐵表面滲硫?qū)訉?duì)磨后,雖該上試件摩擦面的磨痕和與磷酸鹽層對(duì)磨時(shí)相當(dāng),但并無粘著而導(dǎo)致的疲勞凹坑及裂紋的出現(xiàn),而且其摩擦面上還有少量硫元素,表明滲硫?qū)釉谀Σ辽郎剡^程中析出了部分活性硫原子,并附著在上試件表面,與基體反應(yīng)再次生成FeS等硫化物,從而形成活性硫原子的轉(zhuǎn)移及重組的動(dòng)態(tài)平衡過程,進(jìn)一步提升對(duì)磨件之間的摩擦學(xué)性能。

圖10 灰鑄鐵基體(上試件)磨損后的磨痕形貌(a～c)及EDS譜圖(d～f)(a)與基體對(duì)磨;(b)與磷酸鹽層對(duì)磨;(c)與滲硫?qū)訉?duì)磨Fig.10 Wear scar morphologies(a-c) and EDS spectra(d-f) of the gray cast iron substrate (upper specimen) after friction(a) grinding against substrate; (b) grinding against phosphate layer; (c) grinding against sulfurized layer

以上滲硫?qū)拥腇eS相減摩潤滑特性和硫原子的轉(zhuǎn)移及重組過程都有效提升了對(duì)磨件間的減摩潤滑性能,使得摩擦副間的磨粒磨損及粘著磨損被削弱,滲硫?qū)拥臏p摩自潤滑性能的持續(xù)性增強(qiáng),更不會(huì)出現(xiàn)磷酸鹽層晶體顆粒脫落而直接被潤滑介質(zhì)帶走的情況,滲硫?qū)拥臏p摩耐磨性能及長(zhǎng)期可靠性較磷酸鹽層更優(yōu)。

2.5 應(yīng)用對(duì)比分析

對(duì)某1.0 HP的轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)內(nèi)的鑄鐵基材活塞進(jìn)行低溫離子滲硫處理,并與未處理的常規(guī)壓縮機(jī)進(jìn)行性能對(duì)比,測(cè)試按GB/T 15765—2004《房間空氣調(diào)節(jié)器用全封閉型電動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)》執(zhí)行,制冷量、功耗的測(cè)試及對(duì)比結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出,常規(guī)壓縮機(jī)的制冷量及功耗都比滲硫活塞壓縮機(jī)高,其能效(COP)為4.32(COP=制冷量/功耗),而滲硫活塞壓縮機(jī)的COP為4.48,即滲硫活塞壓縮機(jī)的COP較常規(guī)壓縮機(jī)提升了3.7%,該提升對(duì)小排量制冷壓縮機(jī)而言,提升幅度較大。

圖11 常規(guī)壓縮機(jī)及滲硫活塞壓縮機(jī)的制冷性能Fig.11 Refrigeration performance of conventional compressor and sulphurizing piston compressor

3 結(jié)論

1) 灰鑄鐵表面磷酸鹽層與滲硫?qū)颖砻娴亩嗫捉Y(jié)構(gòu)都能起到儲(chǔ)油潤滑的作用。磷酸鹽層主要由不易滑移的Mn3(PO4)2·3H2O及(Mn, Fe)3(PO4)2·4H2O單斜晶體結(jié)構(gòu)組成,而滲硫?qū)又饕扇菀桩a(chǎn)生滑移的密排六方FeS晶體組成,在相同的摩擦磨損試驗(yàn)條件下,滲硫?qū)拥哪Σ烈驍?shù)較磷酸鹽層低23.5%左右,即滲硫?qū)拥臏p摩性能較磷酸鹽層更優(yōu)。

2) 磷酸鹽層表面疏松堆積的塊狀晶體的內(nèi)聚力弱、脆性大,而滲硫?qū)邮橇蛟酉蚧诣T鐵基體內(nèi)部滲透而與基體金屬之間形成呈鋸齒交錯(cuò)狀接觸、結(jié)合緊密的共價(jià)鍵化合物,在同一剪切應(yīng)力的作用下,磷酸鹽層更易脫落失效,并被帶入到潤滑介質(zhì)中,油膜保持能力削弱,減摩耐磨性能下降。

3) 滲硫?qū)拥谋砻嬗捕燃皻堄鄳?yīng)力都比磷酸鹽層稍高,在相同試驗(yàn)條件下,滲硫?qū)拥哪p量較磷酸鹽層降低約31.6%,即滲硫?qū)拥哪湍バ阅鼙攘姿猁}層更優(yōu)。

4) 在灰鑄鐵基體與滲硫?qū)訉?duì)磨的過程中,對(duì)磨副之間伴隨有活性硫原子的轉(zhuǎn)移及重組的動(dòng)態(tài)平衡過程,與滲硫?qū)訉?duì)偶的灰鑄鐵基體表面反應(yīng)生成潤滑相FeS,進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)磨件之間的減摩耐磨性能。

5) 小排量壓縮機(jī)的活塞零件經(jīng)滲硫處理后的能效較未做任何處理的常規(guī)壓縮機(jī)至少能提升3.7%,壓縮機(jī)制冷性能提升明顯。