钢的稀土催化渗硫新工艺及渗层摩擦学性能研究

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1、摘要摘要固体润滑材料及其相关技术是当前摩擦学领域研究的热点之‘。与传统耐磨表面处理棚比，其明显优势在于：不仅可降低自身磨损，而且可避免对偶件的严重擦伤。在已知技术中，低温渗硫以其对钢质零部件、T模具表丽摩擦学性能的显著改善作用而备受关注。但是，现订工艺皆遍存在渗述偏低、渗层易蚀以及渗荆易老化、污染环境等问题。如何突破其应川的瓶颈，开发f

2、j具有我国自主知识产权和重要府川价值的安全高效渗硫新工艺，具有重要的社会、经济意义。为此，本文借助稀土特殊的表面活怿，成功开发_r稀士催化低温熔融渗硫和室温盐液渗硫两项新技术，实现了安全、高效、低成本渗硫，满足了其在冶金、

3、机械行业推广应刚的基本要求，并在不锈钢丝绳合拢成犁模具——crl2压线模上取得良好的实用效果。要充分发挥渗硫层的减摩作用，就必须依据有关理论实现其摩擦学优化设计。然而，目前有关固体润滑的研究还主要集中于【古：】体润滑剂新品及相关1一艺开发，对于同体润滑层／底材体系的匹配、膜厚控制等摩擦学设计问题仍处丁T艺选配阶段，急需指导性的理论和规范。

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5、此．本文重点考察了渗硫层减摩效果与厚度之间的关系，认为已有文献提出的单一临界膜厚概念不足以闸释减摩效果对润滑层厚度的依赖性，故而从摩擦学理论的角度提出，卜、fi临界膜厚tc：和tc，等概念，并给出了表面润化层优化没

6、计的基本原则，为渗硫处理及其他固体润滑技术在特定’r况条什F的经济合理应用提供了理论依据。首先．系统研究了稀土元素种类、加入量和加入状态等对渗s过程的影响．成功配制出LMS系列稀土复合渗硫剂，并确定了相应的低温熔融渗硫工艺参数。其基本_[。艺过程为：渗硫}】口经常枷酸洗、脱脂，以及活性剂Rs一1室温活化处理1～3rain；LMS渗硫剂，190。C／4、6h渗硫：渗后清洗或复合浸涂MoS，100。C／30min。LMS系列渗硫剂不仅渗硫效果良好，目．H；存竹：老化问题．原料来源广，价格低廉．安全低毒。对于经980℃低温淬火的Crl2模具钒，采HJLMS一7渗

7、剂S+4w1％I。aF3+1wt％CeCI，，190。C／4～6h处理后可获得约15～19um厚的渗硫层。处珲后工件表面呈均匀灰黑色；其渗硫层主要由FeS、FeS，相组成，组彭{疏松、多孔，硬度较低(约Hmv。。，66左右)；渗层与基体结合良好，并具有一定的耐蚀性。为降低能耗又进一步发展了室温盐液渗硫：r艺，自行配制出SBR系列配方，确定'n参硫]I艺参数。该盐液由基本组分Na2S：O，和复合促进剂CA．2(氧化促进剂KHSO，+微量稀十盐添加剂)组成。对丁：淬火态45#钢，其最佳室温渗硫工艺参数为：SBR-2硫化液(其配比：Na2S2033009／100

8、0mill20tCA一2609／1000mlH20)，处理时间O．5．1h。对应渗屡厚度在10¨m左右，处理件表面平整。对于较耐蚀的淬火态Crl2钢基体，宜采用室温电解渗硫。其J二艺参数为：SBR-2硫化液，辅助电流密度1．8AMm2。一般经20．40min处理即可获得厚约10l-tm的渗硫层，处理面平罄。室温渗硫处理件的外观色泽呵与低温熔融渗硫件相媲美，但表向较为东南大学工学博士学位论文粗糙。T件渗硫后基体硬度无损失，基体与渗硫层存在清晰界面，结合欠牢：硫化膜土要由单相FeS组成，埂度较低(约Hmv。63左右)。在渗硫层厚度能有效控制和获得的上艺研究基础

9、上，论文工作进而转向其摩擦学特性的研究。试验表明：渗硫能明显改善钢的摩擦学性能，降低系统的摩擦系数，减小配副的磨损。在100N、O．47m／s干摩擦条件下，渗硫Crl2钢(渗层厚约1011m)与不锈钢对磨时的摩擦系数仅为原来的30～40％，而不锈钢配副的磨损量降为原来的1／2左右。渗硫层摩擦系数和耐磨寿命受渗层厚度、基体硬度的影响。通常，其摩擦系数随着渗层厚度的增加逐渐降低并趋于稳定，而耐磨寿命随渗层厚度增加而延长；渗层越厚。则对偶件磨损程度越低。基体硬度越高，渗硫层摩擦系数越低．耐磨寿命越&。在100N、o93m／s干摩擦条件下，商硬度Crl2钢基体上的

10、渗硫层摩擦系数低于调质态45#钢，H耐磨寿命约为45#钢上渗硫层的1．5倍。渗硫层的减摩、耐簿性能受作用裁荷和相对运动速度的影响。在干摩擦条件下．渗硫层的砒摩效果随作j『J载荷的增加而增加并趋丁稳定，随滑动速度的增加而F降。医I此，渗硫处理适用丁在低载荷和高速运转_L况F。J作冉勺零部件。对于室温盐液渗硫件，由于其渗层表面较为粗糙且结合特眭相刘较差，抗负荷性不及低温熔融渗硫件，故而适合于更低载荷工况条件下】。作的运动零部什。在摩擦学理论方面，针对软质膜／硬基体与对偶件这‘复杂体系，本文根据接触力学理论建立了“微凸峰一软／硬平而接触”模型，提出了上临界膜厚，

11、。下临界膜厚t，概念，较盘，地阐释了软质脱减摩效果对其厚度的依赖性