不同表面处理对灰铸铁摩擦学性能的影响.pdf

不同表面处理不同表面处理对灰铸铁对灰铸铁摩擦摩擦学学性能性能的影响的影响 史正良 潘健 （珠海格力电器股份有限公司机电技术研究院） 摘摘 要：要：灰铸铁是压缩机泵体常用材料，本文分别对灰铸铁样件进行磷化处理、磷化+纳米铁离子表面处理、磷化+二硫化钼粘结固体涂层处理，在浸油润滑条件下，采用万能摩擦验机，考察了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的摩擦系数最低，稳定在 0.125 左右，并出现少量的粘着和磨粒磨损 关键词：关键词：灰铸铁 表面处理 摩擦磨损 Effect of surface treatment on tribological behavior of gray cast iron Shi Zhengliang Pan Jian Abstract: The gray cast iron was common material used in compressor pump. Surface treatment such as Phosphate treatment, phosphate /Nano plasma surface treatment, phosphate / molybdenum disulfide coating were carried out on gray cast iron, surveyed the friction and wear property of iron cast iron with different surface treatment using mmw-1 tribology testing machine under bath lubrication mode. Results showed that the sliding friction coefficient of phosphate / molybdenum disulfide coating was lower than the other two, the value stabilized at around 0.125, and appeared a small amount of adhesive and abrasive wear. Keywords: Gray Cast Iron, Surface Treatment, Friction and Wear 0 前言 灰铸铁具有一定的力学性能，优良的铸造性、加工性；由于基体中的富碳以石墨形式存在，使其又具有优良的减磨性。

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，同时也为减小功耗，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，本文分别对灰铸铁样件进行磷化处理、磷化+纳米铁离子表面处理、磷化+二硫化钼涂层处理，考察了不同表面处理后的摩擦磨损性能  史正良，1983 年 2 月，珠海格力电器股份有限公司，研究员，szl0220@ Compressor and Motor Institute of Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai 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，本文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· 2MnH PO4·4HO2 和 FeH PO4·4HO2 。

外观深灰色，有较好的耐腐蚀性，见图 1 所示 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固体润滑剂涂层处理 纳米离子涂覆工艺：磷化抛光样件→清洗→预热（80℃20 分钟干燥）→表面涂覆→强化（80℃60 分钟烘烤） 二硫化钼粘结涂层工艺：磷化抛光样件→清洗→预热（40℃20 分钟加热）→浸涂→固化（80℃30 分钟烘烤） 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，下试件基体材料是灰铸铁，硬度为 HB220，并分别进行表面处理载荷为 200N，矿物油 56EP 浸油润滑，转速为 1000rpm，连续运行 3H，常温常压下测试在摩擦试验前后，分别对样件进行称重，对比前后失重，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 120g；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 2000 倍 2 试验结果分析 2.1 摩擦系数 02000400060008000100000.000.050.100.150.200.250.30Friction CoefficientT/s 图 1 磷化试样的摩擦系数 图 1 所示为磷化试件随时间变化的摩擦系数波动曲线。

从图中可以看出，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（5min 内） ，摩擦表面的间隙接近于表面粗糙峰的高度，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，摩擦系数缓慢提高 02000400060008000100000.000.050.100.150.200.250.30Friction CoefficientT/s图 2 磷化+铁基离子试样的摩擦系数 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从图中可以看出，在前两个小时，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，在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。

02000400060008000100000.000.050.100.150.200.250.30Friction CoefficientT/s图 3 磷化+二硫化钼试样的摩擦系数 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看出， 在前 1 小时实验阶段， 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摩擦表面，进而填充对偶件表面凹处甚至陷入对偶件基体中，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，从而降低摩擦系数 2.2 磨损量 本文参照质量磨损量来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，须确保试样在实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中清洗，然后放入 80° C 干燥箱中保温 2 小时，取出试样，在空气中冷却 10 分钟，再用精度为 0.1mg 分析天平称取质量试验后的处理方法与试验前相同 图 4 磨损量 磷化处理、磷化+纳米铁基离子表面处理以及磷化+二硫化钼涂层处理的质量磨损量分别为 40.7mg、34.3mg 和 24mg，图 4 所示为不同表面处理后试样的磨损量，从图中可以看出，在相同的磨损实验条件下，磷化+二硫化钼涂层处理的试样的质量磨损量最低。

2.3 磨损机理分析 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，在图中呈白亮区域 （a）为磷化样品，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下来，磨损机理主要以粘着磨损为主 （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 （c）为磷化+二硫化钼涂层处理样品，磨损机理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，剪断脱落下来的磨粒，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 （a）磷化处理 (b) 磷化+纳米铁基离子处理 (c) 磷化+二氧化钼涂层处理 图 5 不同表面处理后的磨损形貌图 3 总结及讨论 （1）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+二硫化钼涂层处理后，摩擦系数发生变化。

在同种试验条件下，其中磷化+二硫化钼涂层处理样品的摩擦系数最低，为 0.13~0.14 左右 （2）通过磨损形貌发现，磷化试样主要是粘着磨损为主，磷化+纳米铁基离子表面处理的试样主要是磨粒磨损，磷化+二硫化钼涂层处理的试样是磨粒磨损和粘着磨损三者的磨损量分别为 40.7mg、34.3mg 和 24mg 由于纳米离子以及二硫化钼涂层材料在减磨耐磨方面具有独特的功能，近年来，被广泛地应用在精密机械旋转部件上，但是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] 葛世荣译,摩擦学导论[M],机械工业出版社,2007(12):182-197. 。