等离子渗氮及PVD处理后钢的剪切应力和磨损实验分析

等离子渗氮及PVD处理后钢的剪切应力和磨损实验分析 等离子渗氮及PVD处理后钢的剪切应力和 磨损实验分析 第23卷 Vo1.23 第4期 No.4 中州大学 JOURNALOFZHONGZH0UUNIVERSnY 2006年l0月 0ct.20o6 等离子渗氮及PVD处理后钢的 剪切应力和磨损实验分析 杨勇,刘冬敏 (1.郑州轻工业学院机电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,郑州450002;2.郑州七一三研究所教育中心,郑州450015) 摘要:等离子渗氮及PVD(PhysicalVaporDeposit)处理技术,就是等离子渗氮及物理气相沉积技术.实验数据 表明,对试件进行不同的表面处理并进行实验所绘出的最大剪切应力及磨损曲线是不同的.经等离子渗氮及PVD 处理的钢的最大剪切应力及耐磨性能取决于渗氮时间. 关键词j剪切应力;等离子;沉积;渗氮;磨损 中图分类号:TB302文献标识码:A文章编号:1008—3715(2006)04—0105—03 等离子渗氮及PVD处理技术,就是将钢经等离子渗氮 后再于表面沉积一层物理气相沉积薄膜.随着高新技术的 迅速发展,新的表面工程设计技术诸如热化学处理技术,物 理气相沉积技术,化学气相沉积技术,等离子镀膜技术,高能 电子束处理技术,高能光束(激光)处理技术等不断应用于 生产实践,产生了巨大的经济效益.对机件的表面处理技术 也由某种单一的处理技术发展成为双重或多重处理技术,等 离子渗氮及PVD处理技术就是双重表面处理技术在工业中 的一个应用. 金属基体经等离子渗氮后,基体的强度,抗剪切能力增 加,然后再用PVD技术在基体表面沉积一层物理气相沉积 膜,使沉积膜原子向基体扩散,不仅增加了沉积膜与基体的 结合强度,同时也改变了金属表面的组成成分,获得具有较 高强度,抗剪切的金属表面,同时可提高表面的抗擦伤,耐磨 损的能力.本文基于一个金属基体及表面都处在理想状态 下的设计系统,并将在此系统中着重对经等离子渗氮及PVD 处理后的金属表面的最大剪切应力分布及其相应的磨损实 验数据作详细分析,得出了初步结论. 1.最大剪切应力分布 在经验的基础上,已有关于等离子渗氮机械部件在承 载,抗疲劳,耐腐蚀等方面性能的记载,对等离子渗氮及PVD 处理的钢的大量分析研究也正在进行.金属在相互接触时, 作用力由表面传递到下表层,这样从表面到深层可建立一个 应力模型,在局部应力超出强度的地方就出现变形或断裂, 机械部件随之失效,因此,这个应力分布模型具有非常重要 的意义. 当所加载荷在弹性限度范围内时,压应力取决于所加载 荷,接触材料的弹性性能,我们可以用形状相同,材料相同, 在载荷P,牵引力F作用下的两个滚子来示意,牵引力F作 用在相互压紧的滚子的接触表面上,如图(1)所示.在接触 表面的压应力分布可按照弹性接触理论来计算,在接触表面 任意一点的应力分布都可以按照压力P,牵引力F计算出 来,然后再把它们叠加在一起: ,r是按作用压力计算出来的分量; ,r是按牵引力计算出来的分量. n,+f ? + r=r+r(1) 图1滚动滑动系统 为了使计算简化,可将立体应力模型中的简化为0, 得到二向应力状态的平面应力模型,即: y ='ryx==0 收稿日期:2006—05—14 作者简介:杨勇(197l一),男,河南省郑州市人,郑州轻工业学院机电工程学院教师, 工程师,研究方向为冶金学. ? 105? 由此可得到最大切应力: r一=?TO'z--O'x+r2(2) 当考虑两个经等离子渗氮及PVD处理的滚子相互滚动 与相互滑动的接触表面时,从渗氮表面到中心的杨氏弹性模 量必须统一,建议在相同载荷的作用下不考虑残余应力时, 渗氮试件与不渗氮试件从表层到中心的杨氏弹性模量是相 同的. 根据计算结果,可根据接触表面的深度绘出分布曲线. 图21Crl8Ni9Ti钢在等离子渗氮及PVD处理后的 最大剪切应力 图(2)表示500?下,经历不同时间等离子渗氮及PVD 处理的一组1Crl8Ni9Ti试件与未经相应处理的一组相同试 件在200Kg正压力,0,6×200Kg切向力的作用下(0,6是表 面磨损实验中得到的磨损系数)所得到的最大剪切应力的 分布曲线.图(2)中剪切应力的计算按照式(2). 曲线a:未经渗氮的滚子在没有切向力的纯滚动的条件 下(200kg正压力)所能承受的最大剪切应力随接触深度的 增加而增加,在z=0,786a处达到最大值(z是接触表面的 深度,a是接触面的半宽度). 曲线b:在两个未渗氮滚子的接触表面上施加了0.6× 200Kg的切向力,在滚动滑动接触中,这个切向力不仅增加 了试件可承受的最大剪切应力,而且将剪切应力的最大值向 表面移动,剪切应力的峰值距表面很近. 曲线d和e:试件在500oC下经历了10小时与35小时 的等离子渗氮及PVD处理,形成了一个很坚固的渗氮加强 层,试件可承受的最大剪切应力明显增加. 曲线C:试件在500oC下经过2.5小时的渗氮及PVD处 理,渗氮加强层虽然形成但相对很薄,尽管在表面试件可承 受的最大剪切应力增加明显,但是在表层与中心的接合部还 是比较脆弱,因此,在接合部裂纹可能发生. 图(2)虽然是在500?下经等离子渗氮及PVD处理的 1Crl8Ni9Ti试件与未经相应处理的1Crl8Ni9Ti试件在一定 载荷下相比较得到的分布曲线,但是其他钢的等离子渗氮及 PVD处理后的f一分布曲线与之相类似,因此,图(3)具有普 遍意义. ? 】06? 图3未经过等离子渗氮及PVD处理的1Crl8NigTi钢在 500?下经历不同时间等离子渗氮及PVD处理后的 1Crl8Ni9Ti在200kg载荷下的磨损曲线 2.磨损实验分析 按照碰撞摩擦理论,摩擦表面的真实接触面积是由 数个微凸起的断面所组成,即: Ar=n耵r2(3) n为微凸起个数. r为微凸起平均半径. 假定滑动距离为三时,微凸起的相撞总次数为?,则: ?:-一(4)2n耵rf' F为作用在接触区的载荷. r一是摩擦表面材料所能承受的最大剪切应力. 是微凸起的形状系数. 在相对滑动时,并不是全部相撞的微凸体都产生磨屑, 设它们形成磨屑的概率为,假定每碰撞一次产生一个半球 形磨屑,这样滑动距离三内产生的磨损质量可由下式求 出: :N.r3.7:.(5) JJ7 为材料密度. 从上式可清楚地看出磨损质量随滑动距离,载荷的大小 呈直线变化,即成正比,而与7-一成反比.7-一是一项与摩擦 表面材料性能有关的参数,说明磨损与材料性能有一定关 系.K是一个多变量的函数值,即使在同样材料,同样载荷, 同样滑动距离的情况下,K值也有可能不一样.影响K值的 因素很多,其中以摩擦类型,润滑情况,摩擦温度,滑动速度 等因素影响较大. 磨损实验在干燥,室温,正常湿度的条件下用经过相同 处理的完全相同的滚子相互滚动滑动进行,如图(1)所示. 在200Kg载荷的作用下,上面的试件以55m/min的线速度 转动,下面的试件以60m/min的线速度转动. 图(3)是根据磨损实验中实际的磨损质量与滚子转数 绘制的磨损曲线.可以发现,相同转数下经等离子渗氮与 PVD处理的一组试件的磨损质量明显小于未经相应处理的 一 组试件.参照图(2),经等离子渗氮与PVD处理的试件的 r一均大于未经相应处理的试件,其中的联系可由式(5)说 明:在其他条件相同的条件下,磨损质量与r一成反比,也就 是试件所能承受的r一越大,磨损质量越小.这就是说等离 子渗氮及PVD处理不仅提高了试件所能承受的最大剪切应 力,同时还提高了试件的抗磨损能力,理论与实际相吻合. 而未经等离子渗氮及PVD处理的一组试件,摩擦表面出现 了粗糙的金属组织和与滚子转动方向平行的滑移线,显示出 抗磨损能力的不足. 由式(5)还可知在载荷大小一定的条件下(200Kg),磨 损质量随滑动距离呈直线变化,而图(3)中的图线是折线, 这是由于金属表面在经过一定的转数磨损后,表面出现很薄 的层状剥离,新的表面显露出来成为磨损表面,并且性质不 同于原有的磨损表面,因此直线的斜率有微小变化. 图(3)中500?渗氮1O小时及PVD处理后的试件表现 出相对稳定的耐磨性,基体金相未发现塑性变形.另一方 面,只经过2.5小时渗氮及PVD处理的试件在经历40000 转后显示了较快的磨损,耐磨性能出现了明显的降低.对这 些只经历了2,5小时处理的试件磨损后的分析表明在渗氮 加强层下面的基体出现了裂纹.而渗氮35小时的试件由于 渗氮时间过长,渗氮加强层出现了一定程度的变质,故磨损 质量稍大于渗氮1O小时的试件. 3,结论 从以上的论述及对实验数据的分析中可知,经等离子渗 氮及PVD处理的钢的耐磨性能取决于渗氮时间,用等离子 渗氮及PVD技术能够设计出抗剪切,耐磨损的金属表面. 除此之外,此项技术还具有渗氮速度快,热效率高,处理工件 变形小,可局部控制,可处理材料面广,可用作物理气相沉积 膜的材料广泛,沉积膜温度范围大,无污染等特点.最近在 这一领域的实践表明用等离子渗氮及PVD双重处理技术制 作的滚动轴承将很快达到设计性能,用该技术对金属齿轮的 设计制造将很快实现. 参考文献: [1]李金桂.现代表面工程的重大进展[J].材料保护,2000 (1):9—11, [2]BellT,21世纪的表面工程技术与材料技术[J].刘家浚, 译,中国表面工程,1998(1):19—26. [3]TaborD.NitrotecSurfaceEngineeringinIndustry[J],Jour- nalofinstituteofMetals,September2002, [4]杨勇,朱茹敏.表面工程设计在工业中的应用与发展 [J],中州大学,2005,22(4):107—109. [5]徐重,等离子表面冶金技术的现状与发展[J],中国工程 科学,2002(2):40—43, [6]高原.等离子Mo—Cr共渗表面高速钢层的研究[J].中 国表面工程,2004(6).67—69. [7]封全保,刘建新,吕士勇.车轴表面应力分析[J].交通运 输工程,2000(2):90—92. [8]张高会,潘俊德,张平则,钛合金表面双层辉光离子无氢 渗氮碳层摩擦磨损性能研究[J].摩擦学,2004(2), (责任编辑吕志远) ShearStressandFrictionAnalysisofPlasma NitrifiedandPVDTreatedSteel YANGYong,LIUDong—min (1.MechanicalandElectricalDept.ofZhengzhouLightIndustryInstitute,Zhengzhou45000 2,China; 2.EducationCenter,No.713InstituteofZhengzhou,Zhengzhou450015,China) Abstract:PlasmanitrifyandPVDistheabbreviationofplasmanitrifyandphysicalvapordeposit.Datashows thatthemaximumshearstressandabrasiveresistancecurvesaredifferentwiththesamematerialprocessedbydif- ferentsurfaceengineeringmethod.ThemaximumshearstressandabrasiveresistanceofplasmanitrifiedandPVD treatedsteelaredecidedbythelengthofnitrifiedtime. Keywords:shearstress;plasma;deposit;nitrify;friction ? 107?