渗硼钛合金的摩擦和磨损性能

1、渗硼钛合金的摩擦和磨损性能Erdem Atara, E. Sabri Kayalib, Huseyin Cimenoglub，*aGebze Institute of Technology, Department of Materials Science and Engineering, 41400 Gebze, Kocaeli, TurkeybIstanbul Technical University, Department of Metallurgy and Materials Engineering, 34469 Maslak, Istanbul, TurkeyReceived 16 N

2、ovember 2007; accepted in revised form 12 March 2008Available online 20 March 2008.摘要这项研究利用固体渗硼技术在钛合金表面形成一层由TiB2和TiB相组成的10微米厚的均匀的硼化物层。合金表面硬度超过2000HV。过渡层厚度约为50微米。该BDZ的微观结构由混合了基体金属的TiB晶须组成。在该BDZ中，硬度随TiB体积分数的降低而减小。与基体相比，该合金在干燥和涂片润滑条件下在与蓝宝石对磨时表现出优良的耐磨性和低的摩擦系数。关键字渗硼; 润滑; 钛; Ti6Al4V; 耐磨。1. 介绍在钛合金中，Ti6Al4V

3、应用最为广泛，在1950年代初首次介绍而广为人知。现在,它被广泛用于汽车、航空航天、化工、海洋和生物医学产业由于其优秀的力学性能组合,包括改进的静态和动态的强度、断裂韧性以及低密度和良好的耐腐蚀性能。Ti6Al4VTi6Al4V合金覆盖钛占世界总产量的50%左右,可是由于钛固有的极差的摩擦性质,限制了它的使用特别是在磨擦磨损相关工程应用方面。而表面改性似乎是提高钛合金1-5的摩擦学性能的有效方式。许多已经出版的文章注重通过沉积和表面扩散改性技术来保护钛合金的磨损性能。扩散技术中，在涉及到间隙原子扩散到金属表面时，热氧化钛会非常具有吸引力4-10。 尽管硼化钛具有优良的硬度和耐磨性，但是在许多摩

4、擦学的系统中,只有少数出版物存在硼化钛和钛合金作为替代扩散技术11-20。表1介绍了Ti和Ti6Al4V扩散渗硼后合金表面的特点。渗硼钛合金深层硬度变化幅度较大(850HV3300HV)，这取决于它的工艺参数。TiB晶须形成在渗硼钛合金表面而不是硼化层导致相对较低的硬度(550HV)。表1：钛及钛合金表面渗硼后的特点现在，渗硼钛合金被广泛应用于黑色金属合金以显著提高抵抗摩擦部件的寿命通过它的表面硬度和摩擦性能的优越组合。商业、有色金属的渗硼合金主要是由固体渗硼法和膏剂法由于其简单和成本效益21-24。 在一个早期的工作25中，渗硼技术已经被综述为黑色及有色金属材料。目前工作主要在固体渗硼技术的

5、表面改性方面。2实验在本研究中，由Ti6Al4V（23级）加工成的立方样品（10×10×10mm）在1100°C下在充满了商业Ekabor II渗硼粉、无机硅的混合物,B -和氟化合物的不锈钢容器中根据制造商的数据表(BorTech GmBh-Germany)。经过严格包装,不锈钢容器要密封及用陶瓷粘贴,以防止氧化。硼化样品进行显微结构的观察,硬度测量和磨损测试。 显微结构的观察：覆盖了能量色散x射线能谱仪(EDX)装备考试扫描电子显微镜(SEM),x射线衍射(XRD)分析和辉光放电发射光谱(GDOS)分析。在横截面上进行了硼化1% HF腐蚀后样品扫描电镜检查。X

6、射线衍射分析，CuK线以3°的入射光束的角度辐射。 GDOS配备了2毫米直径30 W和750 N / m2在氩气氛下的阳极, 被用于定性确定在渗硼深度剖面上的元素。硼化合金的表面形成溅射坑的深度测量为12µm被轮廓曲线仪GDOS后分析。硬度测量：在样品表面和截面利用depth-sensing CSM微观硬度测试仪进行样品的维氏硬度显微硬度测试。截面测试负载为25克。 表面硬度测量进行连续多循环模式下的微观硬度试验机压痕载荷从20克逐渐增加到500克。滑动磨损测试：基体合金及硼化合金在1200沉砂表面光洁度、干燥和涂片润滑条件下利用往复式磨损试验机设计根据ASTM G133标

7、准。 涂片润滑滑动测试后涂抹全合成油以使样品表面模拟边界润滑。 10毫米直径蓝宝石球不断磨样品表面在正常大气条件下(20°C和50% RH),测试时间为150分钟。 球的中风和滑动速度分别是8毫米和0.02 m/s。在磨损测试中,摩擦力数据连续记录。干燥，涂抹润滑滑动磨损的基体金属试验载荷为2 N，其对应于平均接触压力约0.4 GPA ，硼化合金的磨损试验荷载作用下12和20 N,其对应接触压力分别为1.0GPa和1.3 GPa,。12 N负载于干滑动条件,20 N涂片负载于润滑滑动条件。磨损测试的结果由轮廓曲线仪测量其宽度和深度来计算被磨损的区域从而评估样品表面。 磨损表面的合金由

8、扫描电镜检查。 涂片润滑条件下样品测试前清洗去除表面的油然后置于扫描电镜下。蓝宝石滚珠的接触面通过光学显微镜检查。3结果和讨论3.1 微观结构的Ti6Al4V横截面扫描电镜显微图和EDX分析和XRD的结果模式的硼化合金分别给出图1和图2,。在表面上形成一层均匀，结构紧凑，无裂纹厚度为约10微米的层（图1）。它表面光滑，违背了锯齿形态，这种现象大多出现在渗硼钢21-25中。硼化物层似乎是完全致密的，,没有证据表明沿界面有不连续界面被检测到。 由于在XRD谱中发现渗硼钛合金的两相(六方晶系TiB2和斜方晶系的TiB) (图2),因此我们认为图1 EDX分析的结果中硼化层为分层结构。钛和硼的原子比表

9、明该硼化物层的外部部分是TiB2（约4微米厚）和内部部分为TiB（约6微米厚）。 尽管Ti-B系统的金属间化合物26排位顺序为TiB的Ti3B4和矿TiB2依据相对硼含量增加来确定的（图3），但是在以前的XRD分析研究中Ti3B4没有被检测到11-20。 和 Ti的波峰也出现在XRD谱上。图1图2：渗硼钛合金的XRD光谱图3：TiB二元相图如图4中辉光光谱深度剖面成分描述，硼和钛是渗硼钛层的主要元素。 虽然硼的定量浓度是未知的的,但图4表明,硼的定性浓度在保持一定的水平后从表面到内部逐渐下将,而钛的浓度从表面到内部逐渐增加。 应该注意,主要合金元素(Al和V)在12m外没有被检测到。 以前Ka

10、estner 等人12认为这归因于Al和V在渗层外的位移。图4：辉光光谱分析渗B钛合金剖面元素成分在图1中可以看到：渗层下方有一个50um由随机取向的晶须和基体的显微组织组成的厚度区域。Tikekar等19报道在硼化物层下方晶须生长迅速并大致垂直于表面。高倍率这个区域的SEM显微照片，连同图5的EDX的结果对该晶须进行分析，钛和硼的原子比证明该晶须是TiB。因为硼在钛中的溶解度是非常有限（图3），我们认为硼各向异性扩散的TiB的将在渗层外以晶须形式结晶。因此，渗层之下的区域可以被命名为硼扩散区（BDZ）。该BDZ和TiB增强的钛基复合材料27-31的微观结构非常相似且与基体金属相比含有较细的基

11、质颗粒。该BDZ的微观结构和析出的TiB和基体晶粒大小不同。在渗层下方由于B浓度较高而检测出大量高体积分数的TiB晶须和非常小的基体颗粒的混合物。从过渡区向内，硼浓度伴随TiB晶须的体积分数和相对粗基体颗粒的减少而逐渐降低。B在大块钛晶体中的晶粒细化效果已经被许多研究者2731通过TiB析出而报道。图5：（a）高倍扫描电镜扫描渗层下方 （b）EDX在晶须的分析结果SEM显微图的内部微观 结构Ti6Al4V合金渗硼之前(a)和之后(b)。渗硼之前及之后合金内部微观结构如图6所示。它的显微组织由等轴的和钛组成。在渗硼合金的情况下，其微观结构为层状，这是典型（+）Ti由高于相变点缓慢冷却形成的组织。

12、3.2。Ti6Al4V的硬度在硬度测试仪的多环模式下进行表面硬度测量，结果如图7。提高压头的穿透深度（或随压痕负荷），渗硼合金的表面硬度从2570 HV（对应于压头的穿透深度0.6m，20g测试负荷）降低到635 HV（相对于所述压头的穿透深度5.5m，500g的试验负荷）。而未渗硼合金的硬度在相同的负荷范围之间为365和315 HV。渗硼合金表面硬度随压头深度增加而减小可以归因于在高穿透深度区域硬度较小。一般来说，其不超过约10的涂层厚度，被认为是该涂层的硬度3234。由于渗层的厚度为10m，在相应于穿透深度为1m的硬度可假设为最小的表面硬度。由图7，渗层的最小表面硬度可估计为大约2000

13、HV，这是近五倍的作为基体合金的硬度。图7：在20 g和500 g之间连续加载multi-cyclic模式下获得的表面硬度的测量结果。对渗硼钛合金随着深度进行硬度测量结果如图8所示，在硼化物层，硬度变化在2700 HV0.025和1500 HV0.025之间。在从最外表面起约4m的距离，硬度保持在约2700 HV0.025水平，其对应于TiB2硬度35。在渗层更远的距离，对BDZ，硬度大幅下降至TiB的硬度水平14。渗层内硬度的变化（图8），其分层结构在3.1节BDZ中提到。，硬度从1500 HV0.025下降到315 HV0.025。如同图5中所提到的，该BDZ内硬度的逐渐减少可以归因于的T

14、iB晶须在内部析出的减少。图8：渗硼钛合金的截面硬度图9：基体及渗硼合金的磨损表面外观3.2 Ti6Al4V的磨损性图9提出了基体合金和渗硼合金磨损表面的SEM显微图。基体合金的磨损表面微观干燥和涂片润滑滑动磨损试验后表现出相似的特征,它可以区分粗糙表面外观由于反面(蓝宝石球)沉重的犁削行为。基体合金的磨损表面与凹槽滑动方向平行方向被检测到严重塑性变形的迹象。 即使在相当高的测试负载(或接触压力), 渗硼相比于基体很容易在磨损模式从犁削到抛光识别变化。 渗硼在干滑动条件下略有磨损没有任何塑性变形,然而检测到浅划痕。 没有开裂、分层或剥落在磨损轨道上被观察到。 纯抛光模式为主的涂片润滑磨损试验条

15、件下没有形成任何可测量的磨损。 渗硼钛合金的磨损表面在润滑条件下测试,很光滑,但是含有一些小坑。 EDX分析表明,磨损表面还覆盖着一个附着富含碳的薄膜,它起源于润滑过程。图10：（a）相对磨损率；（b）基体合金和渗硼合金的摩擦系数值图10为实验结果量化后得到的相对磨损率和两合金的摩擦系数。因为磨损试验不同的测试负载下进行的，在RWR分别计算归一化磨损所形成的合金的表面上的轨道面积后的值以测试负荷，并且假设基体合金RWR值在干摩擦条件下为100。另一方面，摩擦系数的值保持不变在某些测试阶段之后。基体合金摩擦取线的共同特点是由较大的波动。而渗硼的合金与干摩擦相比由于润滑而使波动急剧减小。在干燥和涂

16、片润滑滑动条件下,硼化合金比基体合金表现出明显低的RWR和摩擦系数。 高RWR和摩擦系数的基体合金可以造成到沉重的塑性变形,这发生在接触表面由于反面的破坏性的行为（图9）。 应该指出,涂片润滑对基体合金的耐磨性没有提供相当有益的影响,虽然降低了摩擦系数。 以前,对钛合金的润滑效果一直归因于高变形倾向,以及他们的导热性差4。突然减少的相对磨损率伴随着相对较低的摩擦系数在渗硼很近中可能与的硼化层较大的硬度有关关。 磨损测试期间,硼化层表现出非常有限和/或没有塑性变形(图9)并且硼化层和蓝宝石球之间的接触更有可能是有弹性的。 此外,BDZ支持硼化层,提高了它的承载能力。 因此,硼化合金比基体合金表现

17、出优良的摩擦学性能即使在非常大的测试负载或接触压力。 此外,涂片润滑作为第三体在测试过程中大大减少硼化合金的摩擦磨损并防止发展磨损轨道。3.4蓝宝石球的磨损基体、硼化合金在干燥和涂片润滑滑动条件下磨损蓝宝石球后的疤痕图11所示。 在干滑动条件下,使用蓝宝石球接触表面相对平稳滑动后的硼化合金出现明亮的表面而基体合金出现又黑又粗糙的表面。球磨对基体合金滑动后损伤痕表面外观粗糙与滑动相关,陶瓷材料粒子摩出的磨损机理6。 自磨损发生在彼此之上两个表面之间的滑动磨损主要是通过清除材料的表面的其他碎片、软材料和附件,磨损深色的疤痕显示大量的磨损碎片(主要是金属钛)从基体合金的接触表面的接触表面被转移到蓝宝

18、石球。 因此,明亮的蓝宝石球接触表面的外观可以归因于有限的材料从硼化合金(硼化层)表面去除。蓝宝石球在硼化层的磨损疤痕表面滑含许多浅平行的划痕和三角坑,这是微磨损和表面疲劳的特点3638。 实验表明,磨损片段(硼化钛)产生滑动接触界面会轻度磨损球的接触表面,反复滑动在相对较高(约1.0 GPa)接触压力下导致在接触表面的断裂由于一个疲劳过程。 应该指出, 疲劳的发展在重复滑动接触中取决于材料的力学性能和界面润滑条件等环境因素而与接触压力的大小水平无关3638。 图11：在光学显微镜下蓝宝石球的磨痕类似于蓝宝石球/硼化合金摩擦测试干摩擦条件下，在涂抹润滑滑动磨损试验后球磨痕表面是光亮的。在这里，

19、明亮外观球磨损伤痕可以归因于接触面被润滑膜分离。即使润滑油膜减少剪切应力和有限的物质从基体合金转移到蓝宝石球，在浅磨痕中还是检测出了划痕。我认为，虽然没有直接接触，材料表面仍然经历了较大的压力。在这种情况下，磨损的碎片被从作为基体合金的表面上容易除去因为其固有的耐磨性差，然后在在润滑剂膜上氧化。 随着磨损的进展,这些硬质氧化物颗粒(主要是氧化钛)的润滑膜轻轻通过形成平行的划痕滑动擦掉蓝宝石球的接触表面。 这个机制在与硼化合金滑动接触时没有发生是由于硼化层的硬度较高。这里，降解的蓝宝石珠表面相对来说微不足道。渗硼层没有发生表面疲劳（干摩擦滑动条件观察），可能是由于润滑剂更好的浸染硼化物

20、层，这在某种程度上分离了蓝宝石球和硼化合金的接触面。4.结论 在这个研究中，钛合金固体渗硼的组织，硬度和耐磨性已经审查。研究结果概括如下： （一）渗硼合金在商业Ekabor II粉末中在1100下进行2.5小时形成组成为10微米厚的TiB2和TiB的表面层，在它下面有一个50微米的BDZ层。该BDZ为TiB晶须与基体结构的混合物。（二）硼化物层非常坚硬（2000以上HV）相比于基体金属（315 HV）。在BDZ中，硬度逐渐降低由于TiB晶须向内部的体积分数减少。（三）硼化合金磨损模式从犁沟变为抛光。在干燥和涂片润滑滑动条件，Ti6Al4V表面渗硼合金针对蓝宝石球显示出优良的摩擦学性能

21、通过降低磨损损失和摩擦系数。（四）磨损进展在蓝宝石球的接触表面通过颗粒拉出控制粗糙磨损过程或微磨损控制平稳磨损过程。在干摩擦条件下蓝宝石球被基体合金粗糙磨损过程磨损，与硼化合金摩擦时疲劳对蓝宝石球的微磨损做出贡献且硼化合金为光滑的磨损过程。涂抹润滑过程蓝宝石球在和基体合金及渗硼合金摩擦中以平稳摩擦为主。AcknowledgementsThis work was undertaken under the support of the State Planning Organization of Turkey through the“Development of Production Techni

22、ques of Advanced Materials from Various Materials”(Project Nr: 90158), whilst the post-doc study of Dr. E. Atar at Metallurgy and Materials Engineering Department of Istanbul Technical University was granted by the Turkish Scientific and Technological Research Council.References1 J.K. Gregory, H.J.

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