激光熔覆离子渗硫复合固体润滑层制备技术研究

发布时间：2019-07-13 08:28

【摘要】：海洋动力系统中关键的零部件是海水液压泵,其内部含高速重载摩擦副,摩擦副常因腐蚀与磨损造成失效,直接影响整个动力系统的运转。针对摩擦副的腐蚀与磨损失效问题,本文采用低温离子渗硫技术和激光熔覆技术相结合的复合处理方法制备耐磨耐蚀的固体自润滑涂层。通过对渗硫层形成过程的研究,建立激光熔覆低温离子渗硫的物理模型,将超声滚压表面纳米化技术加入到此复合处理技术中,研究制备兼具厚度和均匀性的固体自润滑涂层的方法。采用SD-Ni55粉在45钢表面进行激光熔覆,将激光熔覆试样放在低温离子渗硫炉内保温不同的时间,结合XPS刻蚀分析,建立激光熔覆低温离子渗硫层形成的物理模型,实验分析表明,激光熔覆低温离子渗硫复合层的形成分为离子的离解与重新结合,硫化物的吸附与沉积两个主要过程。离子渗硫过程中,灰黑色的硫化物优先在晶界处形核,形成岛状组织,岛状组织彼此连接合并形成网状组织,网状组织横向长大的同时纵向累积,形成渗硫层,低温离子渗硫保温时间过长时,在离子轰击的作用下,渗硫层会出现凹坑、裂纹,还可能发生部分脱落,过量的活性S与Fe、FeS反应,生成不利于自润滑性能的FeS2。采用自制的超声滚压纳米化装置处理激光熔覆层后,其晶粒尺寸达到26.10 nm。XPS刻蚀分析表明,纳米化激光熔覆渗硫层与未纳米化激光熔覆渗硫层相比,Fe含量明显增加,由35.53%增加到52.73%,其余元素含量变化不大。丰富的Fe含量有利于FeS的生成,抑制FeS2的产生,纳米化激光熔覆渗硫层FeS含量高于未纳米化激光熔覆渗硫层。XRD物相分析表明,纳米化激光熔覆渗硫层与未纳米化激光熔覆渗硫层的物相一致,不同的只是各物相的相对含量。纳米化激光熔覆渗硫层更加致密均匀,边缘效应小。纳米化激光熔覆层硬度为58HRC,比原始激光熔覆层硬度高5 HRC,搭接区和焊缝硬度分布均匀,纳米化处理使得激光熔覆层表面粗糙度分布均匀,纳米化处理后,在激光熔覆层上渗硫,可以得到约10μm厚的渗硫层,并且此渗硫层性能良好。摩擦磨损实验表明,相同的干摩擦条件下,纳米化激光熔覆渗硫层的摩擦系数为0.45,明显小于未纳米化激光熔覆渗硫层的摩擦系数,磨损30min时,纳米化试样渗硫层的磨损失重为0.8mg,未纳米化试样渗硫层的磨损失重为1.2mg。纳米化试样渗硫层的磨痕宽度和深度也减小,其中效果最明显的是纳米化处理激光熔覆渗硫层在油润滑条件下的摩擦磨损试验,其磨痕宽度仅为0.447 mm,深度为1.56μm。
文内图片：柴油机缸套在含硫添加剂液体石蜡润滑下，不同处理表面摩擦系数和体积磨损量随载荷

图片说明：硫碳氮共渗也叫渗硫软氮化，或硫氰共渗。它与硫氮共渗层相似，外层主要是摩擦系数小，抗咬合能力，抗擦伤能力与耐磨性好，渗层的里层是硬度高的渗氮共渗层，起支撑作用，耐磨性好；不同的是碳氮共渗是在硬氮化的基础上发，与一般硬氮化工艺相比，共渗层硬度较低，脆性减少[48]。张君和何杰等[49,50]分别对冷作模具钢 Cr12MoV 和柴油机缸套进行了 S-C-N 复图 1-1 所示是缸套经 S-C-N 复合处理技术处理后复合层在含硫添加剂润滑下进学性能研究。由图可看出，复合渗层不仅保持了各自单元渗的特点，而且复合摩擦系数和体积磨损量都较原来有明显降低。胡春华等[51,52]利用 S-C-N 复合处分别在 Cr-Mo-Cu 合金铸铁表面和 SiCrMoCu 合金铸铁表面形成固体润滑涂层等[53]对 13Cr4Mo4Ni4VA 钢进行了真空渗碳、复合硬化及离子渗硫处理，制备度结构的表面层。得到的复合硬化 13Cr4Mo4Ni4VA 钢表面超硬(>70 HRC)，，不同深度的离子渗硫层(基于渗碳层或复合硬化层)都具有良好自润滑性能。
文内图片：渗层表面XRD图谱

图片说明：氧化物迅速而大量生成提供了可能，氧化物与硫化物共同作用进一步提高了金性[54]。杨国俊等[55]对喷油泵零件及测量头、工装芯轴等零件进行低温离子渗硫处理(LGM)，有效的减小了零件的摩擦系数，开辟了一条低成本制备固体自润途径。） S-Mo 离子共渗S-Mo离子共渗技术多应用于钛合金表面，旨在解决钛合金耐磨性差以及易发生点。在Ti6Al4V合金表面制备渗钼层，渗钼层中Ti与Mo形成的是置换固溶体，MoTi相的出现使得材料的硬度值有了较大的提高，可达700 HV[56]。郑文鹏和田晓东等[57,58]分别研究了在 Ti6Al4V 合金表面渗硫渗钼的工艺和摩。他们先在 TC4 钛合金表面沉积 Mo 耐磨涂层，再在 650℃进行渗 S 处理，研明：涂层主要由 Mo 和 MoS2组成，渗 Mo 渗 S 复合涂层表面形成相主要为 M还有少量的Mo2C 和 Ti2S 相，见图 1-2。渗 Mo 渗 S 涂层的磨损速率约为 TC4 的 1
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4

【参考文献】