零件耐磨性研究

零部件磨损失效是材料小断地从零件表而流失的过程，是个渐变、逐步发展的过程。磨损是个非常普遍的现象，零件的重量、尺寸和形状等物理参量均会在磨损过程中发生变化，进而影响机械设备的正常运行，甚至对机械造成毁灭性破坏。提高机械零部件耐磨性，一直是材料研究的一个重要课题。本文从传统工艺和现代工艺两方面简要介绍一下。

1 传统工艺

传统工艺中，提高零件的耐磨性，主要方法是进行表面热处理，即钢的表面淬火和化学热处理。

1.1 钢的表面淬火

钢的表面淬火是一种不改变刚表层化学成分，但改变表层组织的局部处理方法。它是通过快速加热，使钢的表层奥氏体化，在热量尚未充分传至中心时立即予以淬火冷却，使表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部组织保持不变。根据加热方法的不同，表面淬火可分为感应淬火、火焰淬火、电解液淬火、激光淬火和电子束淬火等。其中感应淬火在生产中应用最为广泛。

感应淬火法原理是把工件放入由空心铜管绕成的感应器（线圈）中，感应器中通过一定频率的交流电以产生交变磁场于是工件内就会产生频率相同、方向相反的感应电流。感应电流在工件内自成回路，故称为“涡流”。涡流在工件截面上的分布是不均匀的，表面密度大，中心密度小，通入感应器的频率越高，涡流集中的表面层越薄，这种现象称为“集肤效应”。由于钢本身具有电阻，因而集中于工件表层的涡流，可以使表层迅速被加热到淬火温度，而心部温度仍接近室温，所以，在随即喷水快速冷却后，就达到了表面淬火的目的。由于通入感应器的电流频率越高，感应涡流的集肤效应就越强烈，故电流透入深度就越薄。

1.2 钢的化学热处理

化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，是一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。它和表面淬火的主要区别就是表层不仅有组织变化，而且化学成分也发生了变化。当工件加热到一定温度后，通常经历分解、吸收和扩散三个基本过程。目前在机械制造中，最常用的化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗。

渗碳是把钢置于渗碳介质（又称渗碳剂）中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。目前应用的渗氮方法主要有气体渗氮和离子渗氮。碳氮共渗是向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程。碳氮共渗的方法有液体碳氮共渗和气体碳氮共渗，其中氣体碳氮共渗在生产中应用较广。

2 现代工艺

随着科学技术的不断发展，在提高零件耐磨性方面出现了很多新的工艺，其中等离子熔覆技术、DLC表面处理和深冷处理技术比较具有代表性。

2.1 等离子熔覆技术

等离子熔覆技术是采用等离子束为热源，在金属表面获得优异的耐磨、耐蚀、耐热、耐冲击等性能 的新型材料表面改性技术。在按照程序轨迹运行的DC—Plasma—Jet等离子束流的高温下，高能束流熔敷的过程是把合金粉末利用同步送粉器送到需要进行强化处理的工件表面，同时利用高能束流辐照使合金粉末熔化，工件表面浅层同时熔化，在工件表面形成合金熔池，高能束流 束移开之后，在工件自身的快速热传导以及工件周围空气的辐射传热作用下，合金熔池快速凝固，从而形成成分均匀、致密、组织细小均匀、无显微气孔及裂纹，同工件形成良好冶金结合的高质量冶金涂层。

目前，等离子束熔覆大多采用喷涂用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，可形成陶瓷复合涂层或梯度涂层。热喷涂粉末结晶温度区间大，应用于等离子束熔覆时，涂层气孔和裂纹倾向增大。等离子熔覆属于一种表面快速冶金过程，可得到符合相图的各种合金，也可得到远离平衡的超合金。因而开发等离子熔覆专用材料将是等离子熔覆研究的重要方向之一。

2.2 DLC表面处理

DLC膜是类金刚石碳（Diamond-like carbon）膜的简称，是一类物理和化学性质类似于金刚石且具有独特摩擦学特性的非晶碳膜。DLC膜易于大面积沉积，沉积速度快，沉积温度低，可采用金属和非金属材料作为衬底，加之其具有较高的硬度、良好的化学惰性及生物相容性、优异的耐磨性及极低的摩擦系数、优异的红外透光性等优点所以具，有重大的实用价值。利用DLC膜的耐磨性和润滑性，美国Gillette公司将DLC膜应用在剃须刀片，使剃须刀更加锋利、舒适之后，近二十年来，DLC膜工艺发展迅速，已逐渐从实验室研究阶段向大规模应用阶段转变。目前，DLC膜应用广泛，制备技术日益成熟，常见的主要有等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）法和物理气相沉积（PVD）法。

技术人员曾做过实验比较高速钢有无沉积DLC薄膜的性能，实验表明不同转速、不同润滑条件下，DLC表面处理能够明显提高高速钢的耐磨性能；相同DLC表面处理的高速钢在低速下的摩擦磨损性能明显比在高速下的好；在干摩擦或油润滑条件下，DLC表面处理可以有效地作为高速钢的减磨涂层。

2.3 深冷处理技术

深冷处理是相对于热处理而言，用于改变金属材料的内部结构，进而改善材料的力学性能和加工性能的一种工艺方法。一般将0～-100℃的冷处理定义为普通冷处理；将冷却温度低于-130℃的冷处理称为深冷处理。深冷处理是以液氮为冷却介质对材料进行处理的方法，是目前最新的强韧化处理工艺之一。

深冷处理一般采用液氮作为制冷剂，它不仅制冷温度低（可达-196℃），而且经济方便，对环境无污染。以液氮为制冷剂进行深冷处理可分为两种方式。一种是液体法，即液氮浸泡式制冷，它是将工件直接放入装有液氮的容器中，使工件骤冷至液氮温度 ，并在此温度下保温一定时间，最后回复至室温完成深冷处理。采用液氮直接深冷的处理工艺，由于液氮直接与被处理工件接触，降温速率很快，会导致热应力过大，产生热冲击作用，容易对工件材料造成组织损害，甚至对某些材料产生低温快冷脆断现象，而且工件在降温过程中降温速率难以控制，影响工艺的可控性。另一种方法是气体法，利用液氮的汽化潜热或低温氮气制冷，即使低温氮气与材料接触，通过对流换热，使氮气经喷管喷出后在深冷箱中汽化，利用汽化潜热及低温氮气吸热作用使工件降温，通过控制液氮的输入量来控制降温速率，可实现对深冷处理温度的自动可调，精确控制，且无热冲击作用，在研究中被广泛采用。

目前，国内外对黑色金属的深冷处理工艺一般采用两种方法。一种是深冷-急热法，即深冷后快速升温的处理工艺；另一种为冷-热循环处理法。两种方法均可以降低材料的内应力，提高尺寸稳定性，减少加工变形，提高强度和韧性，改善力学性能。但两种方法相比较而言，后者较前者的处理效果好一些。冷热循环法降低应力的主要原因是材料发生塑性变形释放了一部分弹性应变，每次冷-热循环均会产生变形从而使材料原有的残余应力降低，经多次冷-热循环处理，残余应力消除比较彻底，材料力学性能可得到较大改善。

作者简介

蔡浩（1990—），男，河北省大城县人，杭州士官学校，教员，研究方向：弹药与火炮修理。