不同表面处理对灰铸铁摩擦学性能的影响

第１３卷第７期２　０　１　３年８月ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ　ＡＮＤ　ＡＩＲ－ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ　８３－８５收稿日期：２０１２－０９－０１作者简介：史正良，硕士，工程师，主要从事制冷空调压缩机材料及摩擦磨损方面的研究。

不同表面处理对灰铸铁摩擦学性能的影响史正良　潘健（珠海格力电器有限公司）摘　要　分别对灰铸铁样件进行磷化处理、磷化＋纳米铁基离子表面处理、磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理，在浸油润滑条件下，采用万能摩擦试验机，考察灰铸铁在不同表面处理下的摩擦磨损性能。

试验结果表明，磷化＋二硫化钼粘结固体涂层试件的摩擦系数最低，稳定在０．１２５左右，并出现少量的粘着磨损和磨粒磨损。

关键词　灰铸铁；表面处理；摩擦磨损Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｎ　ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｇｒａｙ　ｃａｓｔ　ｉｒｏｎＳｈｉ　Ｚｈｅｎｇｌｉａｎｇ　Ｐａｎ　Ｊｉａｎ（Ｇｒｅｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ａｐｐｌｉａｎｃｅ，Ｉｎｃ．ｏｆ　Ｚｈｕｈａｉ）ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｐｈｏｓｐｈａｔｅ／ｎａｎｏ　ｐｌａｓｍａｓｕｒｆａｃｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｐｈｏｓｐｈａｔｅ／ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ　ｄｉｓｕｌｆｉｄｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｏｎｇｒａｙ　ｃａｓｔ　ｉｒｏｎ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｇｒａｙ　ｃａｓｔ　ｉｒｏｎ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＭＭＷ－１ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｕｎｄｅｒ　ｂａｔｈ　ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｌｉｄｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｓａｍｐｌｅ　ｗｉｔｈ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ／ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ　ｄｉｓｕｌｆｉｄｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔｉｓ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈａｎ　ｏｔｈｅｒｓ，ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅｓ　ａｔ　ａｒｏｕｎｄ　０．１２５，ａｎｄ　ａ　ｓｍａｌｌ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ａｄｈｅｓｉｖｅａｎｄ　ａｂｒａｓｉｖｅ　ｗｅａｒ　ａｐｐｅａｒ．ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ　ｇｒａｙ　ｃａｓｔ　ｉｒｏｎ；ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｅａｒ 灰铸铁具有一定的力学性能，优良的铸造性和加工性。

由于基体中的富碳以石墨形式存在，使其具有优良的减磨性。

因此，滚动转子式压缩机的曲轴广泛采用铸铁材料。

压缩机的曲轴传递电机扭矩，通过偏心曲轴压缩制冷剂气体，其反作用力将曲轴推向上、下轴承，形成很大的接触压力。

为隔离金属间的直接接触，避免运行中的咬死和烧伤，同时为减小功耗、降低磨损、提高压缩机的可靠性，最常用的方法是磷化处理［１］。

为了进一步提高涂层的应用效果，笔者分别对灰铸铁样件进行磷化处理、磷化＋纳米铁基离子表面处理、磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理，考察不同表面处理后的摩擦磨损性能。

１　试验部分１．１　磷化磷化液成分不同，处理后的磷化膜的形态各不相同，笔者使用的是锰系磷化液。

磷化工艺：试件上料→脱脂处理→水洗→表调（浸入式）→磷化（９７℃浸入式）→清洗→烘干→抛光。

磷化膜均匀细小，完整致密，晶体密集堆积呈柱状结构。

膜的主要成分是Ｍｎ３（ＰＯ４）２·２ＭｎＨＰＯ４·４ＨＯ２和ＦｅＨＰＯ４·４ＨＯ２，外观深灰色，有较好的耐腐蚀性（见图１）。

１．２　涂覆与固化在磷化的基础上分别对样件进行纳米铁基离子涂覆处理和二硫化钼粘结固体涂层处理。

纳米铁基离子涂覆工艺：磷化抛光样件→清洗→预热（８０℃，２０　ｍｉｎ干燥）→表面涂覆→强化（８０℃，６０　ｍｉｎ烘烤）。

二硫化钼粘结固体涂层工艺：磷化抛光样件→清洗→预热（４０℃，２０　ｍｉｎ加热）→浸涂→固化（８０℃，３０　ｍｉｎ烘烤）。

１．３　试验方法在立式万能摩擦试验机上进行销盘试验，上试件材料为高速钢，硬度为ＨＲＣ６３，下试件基体材　·８４　·第１３卷　料是灰铸铁，硬度为ＨＢ２２０，并分别进行表面处理。

载荷为２００　Ｎ，矿物油５６ＥＰ浸油润滑，转速为１　０００　ｒ／ｍｉｎ，连续运行３　ｈ，常温常压下测试。

对比摩擦前后的质量，考察其磨损性能。

１．４　试验设备ＦＡ２１０４型分析天平（上海良平），精度为０．１ｍｇ，最大量程１２０　ｇ；ＭＭＷ－１万能摩擦试验机，能够进行四球、销盘和止推面摩擦副的摩擦磨损测试；正置式金相显微镜，最大放大倍数２　０００倍。

２　试验结果分析２．１　摩擦系数图１所示为磷化试件的摩擦系数随时间变化情况曲线。

由图可以看出，磷化试件的摩擦系数跳动幅度较大，平均摩擦系数在０．１７～０．１８左右。

摩擦系数变化趋势与Ｓｔｒｉｂｅｃｋ曲线相似，在摩擦的起始阶段（３００　ｓ内），摩擦表面的间隙接近表面粗糙峰的高度，载荷由粗糙峰的接触和不连续的流体膜共同承担，克服滑动摩擦阻力较大，摩擦系数达到了０．２７。

随着粗糙峰的递减，润滑膜厚度趋于一致，摩擦系数迅速减小。

随着时间的推移，摩擦表面温度上升，表面氧化膜经过破坏、形成、再破坏，磷化层在弹性和塑性变形下损伤，摩擦系数缓慢增大。

图１　磷化处理试样的摩擦系数图２所示为灰铸铁磷化＋纳米铁基离子表面处理样件的摩擦系数波动曲线。

由图可以看出，在前７　２００　ｓ，摩擦系数缓慢下降，最后趋于平稳，平均摩擦系数保持在０．１５～０．１６左右。

摩擦系数跳动幅度相对较小，纳米铁基离子填补了磷化层表面的凹坑，滑动阻力减小；纳米铁基离子在摩擦副表面形成“微区固溶体”，起到自修复和减磨作用，同时，纳米离子熔点较低，高负载下在摩擦表面形成复合润滑防护薄膜，从而降低摩擦系数。

图３所示为灰铸铁磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理样件的摩擦系数波动曲线。

从图中可以图２　磷化＋纳米铁基离子表面处理试样的摩擦系数看出，在０～３　６００　ｓ，摩擦系数迅速降低，最后趋于平稳，平均摩擦系数在０．１３～０．１４左右。

二硫化钼固体颗粒作为固体润滑剂具有自润滑性能，均匀吸附在磷化层表面，在摩擦过程中因磨损而脱落的颗粒可转移到对偶件表面，进而填充对偶件表面凹处甚至陷入对偶件基体，使摩擦表面始终处于较为平整的状态，并在摩擦副两表面间形成剪切强度较低的转移膜，从而减小摩擦系数。

图３　磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理试样的摩擦系数２．２　磨损量参照质量磨损量评价材料的磨损性能。

零件表面易吸附杂质或水分，为了保证测量的精度，须确保试样在试验前后有着同一洁净度和干燥度。

故试验前将下试件放入丙酮溶液清洗，然后放入８０℃干燥箱保温２　ｈ，取出试样，在空气中冷却１０ｍｉｎ，再用精度为０．１　ｍｇ的分析天平称取质量。

试验后的处理方法与试验前相同。

图４所示为不同表面处理后试样的磨损量。

由图可以看出，磷化处理、磷化＋纳米铁基离子表面处理以及磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理的质量磨损量分别为４０．７　ｍｇ，３４．３　ｍｇ和２４　ｍｇ，在相同的磨损试验条件下，磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理的试样的质量磨损量最小。

　第７期史正良等：不同表面处理对灰铸铁摩擦学性能的影响·８５　·　图４　三种试样的磨损量２．３　磨损机制分析图５所示为滑动摩擦后，下试件表面的磨损形貌图。

深色区域为磷化非磨损区，表面枝状晶粒为磷酸铁或磷酸锰，磨损区域的表面处理层有脱落（图中白亮区域）。

图５　不同表面处理后的磨损形貌图图５（ａ）为磷化处理样品，接触区白亮区域较多，表层组织主要是片状脱落。

上下试件接触方式为线接触，接触应力较大，磷化层及次表层发生弹性变形或部分塑性变形，强度小的灰铸铁材料粘附在较硬材质上，反复滑动中被剪断脱落，磨损机制主要以粘着磨损为主。

图５（ｂ）为磷化＋纳米铁基离子表面处理样品，出现三体磨损。

磨损区域犁沟较多，磷化层趋于光滑，纳米铁基离子吸附在表面起到复合润滑作用，纳米颗粒不断修复磨损部位，填充微裂纹，犁沟深度较浅，摩擦系数相对较低，主要是磨粒磨损。

图５（ｃ）为磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理样品，磨损机制有粘着磨损和磨粒磨损。

二硫化钼颗粒均匀地填充在磷化层的空洞中，反复的塑性变形使表面出现少量的粘着点，剪断脱落的磨粒堆积在摩擦副表面，增大了摩擦阻力。

但是由于二硫化钼颗粒转移到对偶件上，二硫化钼在接触区起到滚动轴承的作用，抵消了摩擦阻力，摩擦系数较低。

３　总结及讨论对灰铸铁进行磷化处理、磷化＋纳米铁基离子表面处理以及磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理后，其摩擦系数发生变化。

在同种试验条件下，磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理样品的摩擦系数最小，在０．１３～０．１４范围内。

通过观察磨损形貌发现，磷化处理试样主要是以粘着磨损为主，磷化＋纳米铁基离子表面处理的试样主要是磨粒磨损，磷化＋二硫化钼粘结固体涂层处理的试样是磨粒磨损和粘着磨损。

由于纳米离子以及二硫化钼粘结固体涂层材料在减磨耐磨方面具有独特的功能，近年来被广泛地应用于精密机械旋转部件，但是试件与基体之间的结合力相对较差。

寻求更好的表面处理工艺，改善与基体之间的粘附力是值得关注的问题。

参考文献［１］　周德馨，陈曾辉．旋转式压缩机曲轴耐磨耗涂层处理技术［Ｊ］．家电科技，２００５（１２）：５８－５９．［２］　胡志彪，李贺军，付前刚，等．低摩擦系数固体润滑涂层研究进展［Ｊ］．材料工程，２００６（３）：６０－６３．［３］　葛新建，孙建林，范慧莉．粘结固体润滑膜的摩擦学特性研究［Ｊ］．润滑与密封，２００６（１０）：１３４－１３６．［４］　Ｂｈａｒａｔ　Ｂｈｕｓｈａｎ．摩擦学导论［Ｍ］．葛世荣，译．北京：机械工业出版社，２００７：１８２－１９７．。