钛合金辉光离子渗硫与摩擦学特性研究

1、钛合金辉光离子渗硫与摩擦学特性研究第38卷增刊12009年4月稀有金属材料与工程RAREMETALMTERIALSANDENGINEER【NGVo1.38,Supp1.1April2009钛合金辉光离子渗硫与摩擦学特性研究王利捷,王红波,郝建民(长安大学,陕西西安710046)摘要:对Ti.6A1.4V合金表面进行辉光离子渗硫处理后的显微组织,摩擦学特性进行了研究.结果表明:合金经离子渗硫处理后,渗层主要由TiS2,TiS,TiS3,Ti2S等硫化物组成;对处理前后试样的摩擦学性能研究显示,渗硫后试样在干摩擦纯滑动的情况下表现出良好的减摩性能,并对减摩机理进行了探讨.关键词:Ti一6A1.4V

2、;离子渗硫;摩擦学特性中图法分类号:TG146.23文献标识码:A文章编号:1002185X(2009)S1-34203钛合金具有密度小,比强度高,耐蚀,无磁,生物相容性好等特点,在航空航天,兵器,电子,石油化工,医疗等领域得到日益广泛的应用.其中Ti一6A14V合金优异的综合性能和良好的加工能力,成为结构钛合金中产量最大,应用最广的一种钛合金.但硬度低,耐磨性差的致命弱点,使其作为运动副部件使用时,易于与对磨部件产生粘着,进而磨损失效,严重影响了使用性能和使用寿命,也限制了该合金的应用范”.为此采用表面改性技术提高钛合金摩擦学性能成为解决该问题的有效方法.表面改性技术作为改善表面状态的方法,

3、一般分为两类:一是提高表面硬度,如渗碳,氮化等_2q,二是在材料表面形成一层减摩性良好的化合物层,如渗硫.前者国内外学者作了大量的研究工作,而对后者的研究却未见报道.针对这一问题,本工作采用辉光离子渗硫的方法,试图在Ti一6A14V合金表面形成钛与硫的化合物,对在一定的渗硫工艺条件下,所获得的渗硫层的微观形貌,结构特征,减摩性进行了初步研究,并对渗层的减摩机理进行了探讨.1实验研究采用Ti.6AI一4V合金为实验用材,经线切割加工成8mm×8mm×10mm的试样.辉光离子渗硫在LD一50型离子氮化炉中进行.渗硫工艺为600,3h.试样渗硫后,在VEGA.TS5136XM型扫

4、描电子显微镜下观察渗层表面微观形貌,用4XBTV金相显微镜观察渗层截面形貌;用D/M2500型X射线衍射仪分析渗层表面相结构.用MM-200型磨损实验机评价渗硫层的摩擦学性能.试样尺寸8mm×8mm×12mm,载荷3ON,干摩擦,纯滑动,在相同条件下比较渗硫前后试样的摩擦学性能.摩擦副为淬火后低温回火,40mmX10mm的GCrl5钢标准试样,硬度为61HRC,转速200r/min(摩擦速度为0.47m/s).2结果与分析2.1渗硫层的形貌与结构Ti.6AI一4V合金经渗硫处理后,外观呈金属光泽的黄铜色,渗硫层的表面微观形貌如图1所示.由图可以看出,渗硫后所形成硫化物是在钛

5、合金表面形核并长大的.这是由于钛合金表面在离子轰击的作用下,形成了大量的晶体缺陷,为硫化物的形核提供了有利条件.因此,在一定的渗硫温度下,首先在钛合金表面形成细小的硫化物颗粒,随着时间的延长,硫化物颗粒逐渐长大,并有新的硫化物颗粒形成,在钛合金表面形成了一层硫化物.观察渗层截面的微观形貌(图2)发现,渗层厚度较为均匀,且与基体金属紧密结合,此种结合方式对于基体与渗层之间是一种理想的结合形式.图3为渗硫层的x射线衍射图谱.可见渗层出现了以TiS2为主,TiS,TiS3,Ti2S等多种硫化物相,其中TiS2是减摩性能良好化合物组分.表明Ti一6AI一4V合金经渗硫处理后,可以在其表面形成硫化物相.

6、分析可知,硫的原子半径为0.102rim,远大于碳和氮的原子半径,最外层的电子数为6,也多于碳,氮原子,因此硫与金属元素作用时,易于形成化合物,而不易形成固溶体.由此可以推断,所形成的渗硫层是由钛与硫的化合物组成,而非硫在钛中的固溶体.另外,收稿日期:200812.31作者简介:王利捷,女,1957年生,副教授,长安大学材料科学与工程学院,陕西西安710046, :02982334585增刊1王利捷等:钛合金辉光离子渗硫与摩擦学特性研究?343?在所形成的硫化物中,TiS2具有层状结构ll,夹层之间由弱的范德瓦尔力联系,该结构易于产生层间的滑移,具有小变形阻力,低剪切强度.这不仅可以减小由于金

7、属之间的直接接触产生的摩擦磨损,而且又具有吸附润滑油的能力,起到良好的减摩作用.图1Ti.6AI.4V合金渗硫层的表面微观形貌Fig.1SurfacemicrostructureforsulfurizinglayerofTi一6AI一4Valloy图2Ti.6A14V合金渗硫层的截面微观形貌Fig.2Cross-sectionalmicrostructureforsulfurizinglayerofTi?-6AI?-4Valloy2.2渗硫层的摩擦性能图4示出了渗硫改性层与基材Ti一6A14V合金在干摩擦条件下同GCrI5钢对磨时摩擦系数随时间变化的关系曲线.由图可见,二者的摩擦系数均随时间的

8、增加而增加.而经渗硫处理后试样的摩擦系数明显低于基材.这是因为试样经渗硫处理后,表面形成了剪切强度较低的硫化物层,在一定载荷的作用下,硫化物易被剪切,所以摩擦系数较之未处理试样要小.但随着滑动时间的延长,摩擦系数逐渐增大,表明随着摩擦过程的进行,试样表明的硫化物层不断受到剪切,导致剪切阻力增大,因而摩擦系数增大.504030a尝20100TiTiS.ATi.STiSIoTiS口Ti0-oJ_2030405O607O8O2图3Ti.6A1.4V合金渗硫层表面x射线衍射图谱Fig.3X-raydiffractionspectrumforsurfaceofsulfurizinglayerofTi?-

9、6A1-4Valloy言趸毒苫SlidingTime/min图4干摩擦下摩擦系数随滑动时间变化的关系曲线Fig.4Variationoffrictioncoefficientwithtestdurationunderdrysliding2.3渗硫层减摩机理探讨根据金属粘着磨损机理1,宏观上看似光滑的金属表面,实际上是凹凸不平的.所以,金属间真实的接触面积比名义接触面积小得多,接触仅发生在粗糙表面的微突体上.在金属摩擦的过程中,会形成大于分子量级的金属接点.由于真实的接触面积较小,因此相互接触的微突体在较高应力下发生塑性变形,进而导致接触面增大到实际接触面积能支撑载荷为止.而在两金属的直接接触点

10、处会发生粘着,随后在相对滑动时粘着点被剪切.剪切粘着点所需的力即为摩擦力.根据F.P.Bouden和D.Tabor理论,摩擦力为F=S.式中,为接触点的实际面积,盯为接触点的剪切强度.由上式可知,摩擦力随着金属实际接触面积以及接触点剪切强度的降低而减小.因此人们注意到,如果能够在硬的金属基体上涂覆一层减摩性良好的涂层,则此时载荷由基体金属承担,而剪切发生在涂层上,可86420864叭叭叭叭OOOOOOOO?344?稀有金属材料与工程第38卷使材料的抗粘着磨损能力大为提高.渗硫层的减摩作用是由于TiS2的结构与性质决定的.TiS2属六方晶系【81,是鳞片状晶体,具有层状结构,每层包括硫一钛一硫的

11、夹层.层问结合力弱.因此是易于产生滑移的物质.当两个相互接触的表面发生相对位移时,一方面切变断裂将主要发生在剪切强度较低的硫化物渗层上;另一方面硫化物被碾压,发生相对摩擦表面的位移,使对磨体表面附着一层均匀的硫化物润滑膜.随着这种粘着物的不断转移,当对磨面切向滑移时,摩擦转变为硫化物润滑膜之间的滑动摩擦,从而使膜层特性发生改变,减少了对摩件之间的直接接触,有效地降低了摩擦系数,而且TiS2在滑动摩擦条件下可起到自润滑减摩作用,减少了磨面的摩擦损伤.同时,硫化物疏松多孔的特点还有助于储存润滑剂,减少基体金属的直接接触,减少摩擦磨损.Ti一6A1.4V合金对粘着磨损具有高度的敏感性,是其重要的磨损

12、形式之一【9.虽然润滑剂可减轻其粘着磨损,且效果良好.但对于高承载零件,滑移面产生高温,高压促使较薄的润滑剂分解加】,在这种情况或不适合采用润滑剂的场合,渗硫处理不失为一种解决问题的方法.另外,硫化物的减摩作用不仅在滑移的条件下有效,更为可贵的是在干摩擦的条件下,具有较小的摩擦系数,这对抗粘着磨损非常有效.3结论1)利用辉光离子渗技术可以在Ti.6AI.4V合金表面形成厚度较均匀,与基体结合紧密的硫化物层,渗层主要由TiS2,TiS,TiS3,Ti2S形式存在.2)经渗硫处理的Ti一6A1.4V合金的摩擦系数明显减小,表现出优良的减摩性能.参考文献References1】ZhouYanbang

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17、tyofTi一6A14Valloysurfaceafterglowionsulfurizingprocessingwereinvestigated.TheresultsshowedthatsulfurizinglayerismainlycomposedofTiS2,TiS,TiS3andTi2Saftersulfurizingprocessing.Comparedwithtribologicalpropertyofthesamplewithoutsulfurizingprocessing,thesampleaftersulfurizingprocessingexhibitedprerableanti