不同表面处理对灰铸铁摩擦学性能的影响

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Effects of different surface treatment on tribological performance of gray cast ironShi Zhengliang Pan Jian(Gree Electric Appliance，Inc.of Zhuhai)ABSTRACT Surface treatments such as phosphate treatment，phosphate/nano plasmasurface treatment，phosphate/molybdenum disulfide coating treatment are conducted ongray cast iron to study the friction and wear property of gray cast iron by using MM W-1tribology testing machine under bath lubrication mode.The results show that the slidingfriction coefficient of test sample with phosphate/molybdenum disulfide coating treatmentiS lower than others，the value stabilizes at around 0.125，and a small amount of adhesiveand abrasive wear appear。

KEY W ORDS gray cast iron；surface treatment；friction and wear灰铸铁具有-定的力学性能，优 良的铸造性和加工性。由于基体中的富碳以石墨形式存在，使其具有优良的减磨性。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 ]。为了进- 步提高涂层的应用效果，笔者分别对灰铸铁样件进行磷化处理、磷化 纳米铁基离子表面处理、磷化二硫化钼粘结固体涂层处理，考察不同表面处理后的摩擦磨损性能。

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，笔者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)2·2MnHPO4·4HO2和 FeHPO4·4HO2，外观深灰色，有较好的耐腐蚀性(见图1)。

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粘结固体涂层处理。

纳米铁 基离子涂覆工艺 ：磷化抛光样 件-清洗-预热(80℃ ，20 rain干燥)-表面涂覆- 强化(80℃，60 min烘烤 )。

二硫化钼粘结固体涂层工艺：磷化抛光样件- 清洗-预热 (40℃，20 rain加热)-浸涂- 固化(80℃ ，30 rain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，下试件基体材收稿日期：2012-09-01作者简介：史正良，硕士，工程师，主要从事制冷空调压缩机材料及摩擦磨损方面的研究。

剖 痔 室 调 第13卷料是灰铸 铁，硬度 为 HB220，并分别进 行表面处理。载荷为 200 N，矿物油 56EP浸油润滑 ，转速为 1 000 r/min，连续运行 3 h，常温常压下测试 。

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 12g；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 2 000倍 。

2 试验结果分析2.1 摩擦 系数图 1所示为磷化试件的摩擦系数随时间变化情况曲线。由图可以看出，磷化试件的摩擦系数跳动幅度较大，平均摩擦系数在 0.17～.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(300 S内)，摩擦表面的间隙接近表面粗糙峰的高度，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-致，摩擦系数迅速减小 。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，摩擦系数缓慢增大。

0 30.25纂 )·2Oo.15避0.100 050.O00 2 000 4 O00 6 000 8 000 10 000时间/s图 1 磷化处理试样的摩擦 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 。由图可 以看 出，在前 7 200 S，摩擦系数缓慢下降，最后趋于平稳，平均摩擦系数保持在 .15～.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，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。

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 以时间/S图 2 磷化纳米铁基离子表面处理试样的摩擦系数看出，在 ～3 600 S，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辽转移到对偶件表面，进而填充对偶件表面凹处甚至陷入对偶件基体，使摩擦表面始终处于较为平整的状态，并在摩擦副两表面问形成剪切强度较低的转移膜，从而减小摩擦系数。

纂垛酱图 3 磷化 十二硫化钼粘结固体涂层处理试 样的厚擦 系数2.2 磨损量参照质量磨损量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，须确保试样在试验前后有着同-洁净度和干燥度。

故试验前将 下试件 放入丙酮溶液清洗 ，然后 放入8℃干燥箱保温 2 h，取出试样，在空气 中冷却 10min，再用精度为 .1 mg的分析天平称取质量。

由图可以看出，磷化处理、磷化 纳米铁基离子表面处理以及磷化 二硫化钼粘结固体涂层处理的质量磨损量分别为 4.7 mg，34.3 mg和 24 mg，在相同的磨损试验条件下 ，磷化 二硫化钼粘结 固体涂层处理的试样的质量磨损量最校