軸承鋼等離子體基鉭氮碳多元離子注入層組織及性能研究.pdf

1、疲勞和磨損是精密軸承使用過程中的主要失效形式，研究表明對軸承進行等離子體基離子注入處理是一種有效的表面強化手段，它可以在不改變軸承尺寸精度和滾道表面光潔度的前提下，極大地提高軸承耐磨性和疲勞性能。為了解決等離子體基離子注入層淺的缺點和進一步提其對軸承的表面強化效果，本文采用等離子體基離子注入與沉積和升溫注滲技術對GCr15和M50軸承鋼進行表面強化處理，并且對改性層的組織結構和性能進行了研究。
　　首先，研究了等離子體基Ta，N和

2、C離子注入沉積GCr15鋼表面強化層的組織結構和性能。研究表明，GCr15在經(jīng)過Ta離子注入后表面有Ta膜沉積，經(jīng)過后續(xù)N或C離子注入后，GCr15鋼表面生成了晶粒尺寸為幾十至一百納米之間氮化鉭和碳化鉭膜。X-射線衍射(XRD)結果表明，鉭化物的晶粒尺寸隨注入電壓的增加而增加，數(shù)量隨注入劑量增加而增加。Raman光譜結果表明，C離子注入后改性層表面生成了DLC膜。經(jīng)過Ta和N離子注入沉積的GCr15鋼的表面硬度由8.5GPa增加到17.

3、8GPa，干摩擦時磨損率下降88％；而經(jīng)過Ta和C離子注入后改性層硬度為16.5GPa，由于表面形成了一層DLC膜，改性層的干摩擦系數(shù)大幅下降，磨損率下降40%。
　　然后，研究了氮離子升溫注滲M50鋼的成分和結構的演化規(guī)律及其對注滲層性能影響機制。X-射線光電子譜(XPS)結果表明，經(jīng)過氮離子升溫注滲處理表面存在一層氧含量很高的氧化層。結合質(zhì)譜儀分析可知，注滲層中氧來源于氣壁吸附的水分子的脫附。研究表明，表面氧化層對注滲層成分結

4、構和性能有重要影響。在注滲層中，合金元素Cr和Mo以氧化態(tài)存在，沒有檢測到C和V元素，F(xiàn)e元素是氮化物和氧化物混合態(tài)。表面氧濃度對注滲層氮含量有很大影響：表面氧濃度越高，氮濃度越低。XRD結果表明，注滲層的晶相為Fe3N和Fe3O4。采用透射電鏡(TEM)觀察注滲層微觀組織結構，發(fā)現(xiàn)馬氏體孿晶發(fā)生細化，出現(xiàn)了位錯、非晶和納米晶等亞結構。
　　M50鋼經(jīng)過N等離子體基升溫離子注滲處理后改性層的硬度普遍有所提高，表面硬度由原來的12.

5、5GPa升高至17.5GPa，改性層中O含量對表面硬度的影響很大，O濃度較高的試樣硬度較低。在干摩擦狀態(tài)，與原始試樣相比，經(jīng)過處理的M50鋼試樣表面的摩擦系數(shù)變化不大，磨損率下降了61%，O含量較高的試樣耐磨性都有不同程度的下降。經(jīng)過處理后試樣表面的耐蝕性有不同程度的提高，O與基體中Fe元素形成的Fe3O4，結構比較致密，對耐蝕性也起到了一定的作用。
　　M50鋼經(jīng)過N、C升溫離子注滲處理后改性層氧化現(xiàn)象得到明顯改善，O含量一般在

6、5%以下，隨著CH4通入量的提高，改性層中O含量下降，當N2、CH4通入比例達到30：3時，表面氧化現(xiàn)象基本消失。改性層氧化現(xiàn)象降低的原因是CH4在電離過程中形成了多種原子團，增加了表面濺射效應，使M50鋼表面的氧化層被除去。與N離子注滲過程相比較，N、C等離子體基離子注滲后改性層中的C含量明顯提高，隨著CH4通入量和注入溫度的提高，C濃度升高；N濃度隨著注入溫度的升高，濃度略呈下降趨勢；高電流密度下改性層中N、C濃度明顯提高。改性層中

7、的原始奧氏體晶粒尺寸變化不大，馬氏體晶粒細化，呈碎裂狀和柳絮狀，出現(xiàn)了大量的缺陷，表面存在非晶態(tài)組織，改性層含有的CrN和碳化物等化合物相。
　　M50鋼經(jīng)過N、C等離子體基升溫離子注滲處理后改性層的硬度由原來的12.5GPa升高至22GPa，隨著CH4通入量的增加，試樣表面硬度升高，隨著注入溫度的升高，表面硬度先升高后降低，注入電流密度對改性層硬度影響不大。在干摩擦狀態(tài)下，與原始試樣相比，經(jīng)過處理的M50鋼試樣磨損率下降73.5