低温离子渗氮对16Cr3N...Nb齿轮钢摩擦学性能的影响_赵宝奇.pdf

材料研究与应用 2023，17（1）：118124低温离子渗氮对 16Cr3NiWMoVNb齿轮钢摩擦学性能的影响赵宝奇1,高凯雄2*,张斌2,王欣3,刘广桥4*（1.兰州交通大学材料学院，甘肃 兰州 730070；2.中国科学院兰州化学物理研究所/材料磨损与防护重点实验室，甘肃 兰州 730070；3.中国航发北京航空材料研究院，北京 100084；4.兰州城市学院培黎机械工程学院，甘肃 兰州730070）摘要：齿轮作为航空发动机的主要传动部件之一，在服役过程中齿面易发生磨损失效，无法完全满足航空发动机的需求，因此采用表面处理的方法来提高航空齿轮钢磨损性能。对 16Cr3NiWMoVNb齿轮钢表面进行低温离子渗氮处理，通过扫描电子显微镜、X射线电子能谱仪等分析了不同电压对其表面组成及结构、硬度、摩擦学和耐腐蚀性能的影响。结果表明：等离子渗氮处理后在 16Cr3NiWMoVNb齿轮钢表面形成了间隙固溶体，经 900 V 电压渗氮处理后的表面硬度由原来的 269 HV 提高到 325 HV，且渗氮后的样品截面硬度呈现下降的趋势，其磨损率相比原样品降低了近 50%；在质量分数为 3.5%的 NaCl溶液中，渗氮后试样的阳极极化曲线呈现出活化溶解、自钝化等特征，经 850 V 电压处理后腐蚀电位由未渗氮的726.18 mV 提高至410.68 mV，耐腐蚀性能得到显著改善。因此，对航空用齿轮钢，采用低温离子渗氮表面处理的方法可提高其耐磨性和耐腐蚀性。关键词：16Cr3NiWMoVNb齿轮钢；等离子渗氮；表面硬度；摩擦因数；磨损率；腐蚀性能中图分类号：TG156.8文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）01-0118-07引文格式：赵宝奇，高凯雄，张斌，等.低温离子渗氮对 16Cr3NiWMoVNb 齿轮钢摩擦学性能的影响 J.材料研究与应用，2023，17（1）：118-124.ZHAO Baoqi，GAO Kaixiong，ZHANG Bin，et al.Effect of Low Temperature Ion Nitriding on Tribological Properties of 16Cr3NiWMoVNb Gear Steel J.Materials Research and Application，2023，17（1）：118-124.随着航空事业的不断发展，对航空发动机的要求越来越高，齿轮作为航空发动机的重要传动组成部件之一，要求其具备高的表面硬度、耐磨损等性能1。但航空发动机齿轮在服役过程中存在表面擦伤及咬和等现象，主要原因为高载下产生的磨损失效2。所以，航空齿轮的服役寿命不足成为当下制约高推重比航空发动机性能进一步提升的关键难题之一3。目前，提高航空齿轮服役寿命的方法主要有表面喷丸强化、离子渗氮、耐磨涂层等4。其中，离子渗氮工艺简单，渗氮后在样品表面形成间隙固溶体或氮化物，使样品具有高硬度、高耐磨、高疲劳强度等优异性能5，从而使零件的使用寿命不断地倍增，同时还可以达到良好的节能效果并降低成本，因此被广泛应用。近年来，科研人员对等离子渗氮进行了广泛研究6-10。Fattah 等11对 AISI4140 钢在 570 和 620 收稿日期：2022-07-08基金项目：国 家 科 技 重 大 专 项（J2019-VII-0015-0155）；国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（51865025）；甘 肃 省 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目（22JR5RA095）；兰州市科技计划项目（2018-4-32）。作者简介：赵宝奇（1998-），男，辽宁葫芦岛人，硕士，研究方向为表面改性和等离子注渗，Email：。通信作者：高凯雄（1986-），男，河北邯郸人，博士，副研究员，研究方向为固体润滑薄膜结构设计及性能调控、固体超滑材料、材料表面防护技术，Email：；刘广桥（1968-），男，甘肃庆阳人，博士，教授，研究方向为块体非晶材料的制备及性能研究、固体润滑材料的制备及摩擦学性能研究，Email：。Materials Research and ApplicationEmail：http：/DOI：10.20038/ki.mra.2023.000113温度下进行了离子渗氮和氮碳共渗的两种对比实验，结果证明碳原子的存在会促进表面下-Fe2-3N相的形成，使氮碳共渗层的性能高于渗氮层，但氮碳共渗会形成富碳区，阻碍原子的扩散，从而导致表面层较薄。Bell 等12-13分析了奥氏体不锈钢在低温（420）等离子渗氮下的腐蚀、摩擦磨损和疲劳性能，并提出了新型活性屏等离子渗氮技术，证明了这种新技术可以处理低合金钢、工具钢和不锈钢等，而有些金属材料（如航空用齿轮钢 16Cr3NiWMoVNb）回火温度低，高温离子渗氮会对基底性能产生退化，固需要采用低温（T300）渗氮技术。本文用 16Cr3NiWMoVNb 齿轮钢做基材，采用低温渗氮技术对其表面进行处理，研究了不同电压对表面结构、形貌及硬度、摩擦学性能、腐蚀性能的影响，为航空发动机的高寿命运行提供了技术支撑。1试验材料及方法1.1试验材料试验的材料为 16Cr3NiWMoVNb 钢，其主要成分列于表 1。1.2试验方法采 用 线 切 割 技 术，将 试 样 切 割 成 15 mm15 mm3 mm 的块状。首先，对块状样品进行超声处理 20 min，以除去表面杂质。然后，将试样装入特制的离子渗氮炉内，在机械泵和分子泵的加持下抽真空至 1103 Pa，同时设定温度参数，离子渗氮处理工艺参数确定基材温度为 300，其中气氛组成为 N2与 Ar15（保持气体体积为 1 3），渗氮炉内压强维持在 60 Pa 左右，渗氮时间 8 h，在 800、850 和900 V下进行等离子渗氮并观察其变化情况。1.3分析方法1.3.1结构为观察样品表面的组织及结构，采用扫描电子显微镜（SEM，Apreo S，FEI，美国）在 1000 倍下对齿轮钢样品及渗氮后的表面进行观察，通过 X 射线电 子 能 谱 仪（D8Discover25，德 国）运 用 120sstep-v500-5-110teotheta程序对表面组织进行物相分析。1.3.2力学性能测量金属表面强化最直观的方法就是表面硬度的改变，表面的成分决定了硬度分布，而表面渗层的硬度分布又对材料表面疲劳、磨损等性能有重要的影响，更关乎到齿轮钢的性能和寿命。因此，采用显微维氏硬度计（MH-5-VM 显微硬度仪，中国），在载力为 2.5 kg 下测量表面渗氮层的维氏硬度及断面层边缘到心部的维氏硬度。1.3.3摩擦学性能用真空气氛可控摩擦实验机（UMT-3，美国）对原样品及渗氮试样进行滑动摩擦试验，通过三维表面轮廓仪（MicroXAM-800，KLA-Tencor，美国）及公式计算磨损率。摩擦试验温度为 20、相对湿度为 30%50%、摩擦时间为 1300 s、载荷为 5 N，回转半径为 2 mm，对磨副为直径 6 mm 的 440c 钢球。磨损率计算公式W=VFN L，其中 W 代表磨损率、V 代表磨损量、FN代表载荷大小、L代表滑动距离。1.3.4腐蚀性能通过电化学工作站（Autolab 三型，瑞士万通），采用动电位极化测试方法，在 3.5%的 NaCl 溶液、OCP 开路电位 10 min 的条件下测试了原样品及渗氮样品的腐蚀性能。2试验结果及分析2.1原样品及渗氮后样品 XRD分析图 1 为 16Cr3NiWMoVNb 齿轮钢表面的 XRD图谱。从图 1 可以看出，试样渗氮前后衍射峰的位表 116Cr3NiWMoVNb钢的化学成分Table 1Chemical compositions of the 16Cr3NiWMoVNb steel used in this study图 116Cr3NiWMoVNb齿轮钢渗氮前后 XRD图谱Figure 1XRD patterns of 16Cr3NiWMoVNb gear steel before and after nitriding process第 17 卷 第 1 期赵宝奇等：低温离子渗氮对 16Cr3NiWMoVNb齿轮钢摩擦学性能的影响温度下进行了离子渗氮和氮碳共渗的两种对比实验，结果证明碳原子的存在会促进表面下-Fe2-3N相的形成，使氮碳共渗层的性能高于渗氮层，但氮碳共渗会形成富碳区，阻碍原子的扩散，从而导致表面层较薄。Bell 等12-13分析了奥氏体不锈钢在低温（420）等离子渗氮下的腐蚀、摩擦磨损和疲劳性能，并提出了新型活性屏等离子渗氮技术，证明了这种新技术可以处理低合金钢、工具钢和不锈钢等，而有些金属材料（如航空用齿轮钢 16Cr3NiWMoVNb）回火温度低，高温离子渗氮会对基底性能产生退化，固需要采用低温（T300）渗氮技术。本文用 16Cr3NiWMoVNb 齿轮钢做基材，采用低温渗氮技术对其表面进行处理，研究了不同电压对表面结构、形貌及硬度、摩擦学性能、腐蚀性能的影响，为航空发动机的高寿命运行提供了技术支撑。1试验材料及方法1.1试验材料试验的材料为 16Cr3NiWMoVNb 钢，其主要成分列于表 1。1.2试验方法采 用 线 切 割 技 术，将 试 样 切 割 成 15 mm15 mm3 mm 的块状。首先，对块状样品进行超声处理 20 min，以除去表面杂质。然后，将试样装入特制的离子渗氮炉内，在机械泵和分子泵的加持下抽真空至 1103 Pa，同时设定温度参数，离子渗氮处理工艺参数确定基材温度为 300，其中气氛组成为 N2与 Ar15（保持气体体积为 1 3），渗氮炉内压强维持在 60 Pa 左右，渗氮时间 8 h，在 800、850 和900 V下进行等离子渗氮并观察其变化情况。1.3分析方法1.3.1结构为观察样品表面的组织及结构，采用扫描电子显微镜（SEM，Apreo S，FEI，美国）在 1000 倍下对齿轮钢样品及渗氮后的表面进行观察，通过 X 射线电 子 能 谱 仪（D8Discover25，德 国）运 用 120sstep-v500-5-110teotheta程序对表面组织进行物相分析。1.3.2力学性能测量金属表面强化最直观的方法就是表面硬度的改变，表面的成分决定了硬度分布，而表面渗层的硬度分布又对材料表面疲劳、磨损等性能有重要的影响，更关乎到齿轮钢的性能和寿命。因此，采用显微维氏硬度计（MH-5-VM 显微硬度仪，中国），在载力为 2.5 kg 下测量表面渗氮层的维氏硬度及断面层边缘到心部的维氏硬度。1.3.3摩擦学性能用真空气氛可控摩擦实验机（UMT-3，美国）对原样品及渗氮试样进行滑动摩擦试验，通过三维表面轮廓仪（MicroXAM-800，KLA-Tencor，美国）及公式计算磨损率。摩擦试验温度为 20、相对湿度为 30%50%、摩擦时间为 1300 s、载荷为 5 N，回转半径为 2 mm，对磨副为直径 6 mm 的 440c 钢球。磨损率计算公式W=VFN L，其中 W 代表磨损率、V 代表磨损量、FN代表载荷大小、L代表滑动距离。1.3.4腐蚀性能通过电化学工作站（Autolab 三型，瑞士万通），采用动电位极化测试方法，在 3.5%的 NaCl 溶液、OCP 开路电位 10 min 的条件下测试了原样品及渗氮样品的腐蚀性能。2试验结果及分析2.1原样品及渗氮后样品 XRD分析图 1 为 16Cr3NiWMoVNb 齿轮钢表面的 XRD图谱。从图 1 可以看出，试样渗氮前后衍射峰的位表 116Cr3NiWMoVNb钢的化学成分Table 1Chemical compositions of the 16Cr3NiWMoVNb steel used in this study元素含量 w/%C0.16Mn0.500Si0.750Ni1.250Cr2.800W1.200V0.450Mo0.500Nb0.150S0.005P0.009Cu0.050Fe余量图 116Cr3NiWMoVNb齿轮钢渗氮前后