GCr15钢的N-PIII强化

N等离子体浸没离子注入对轴承钢的强化摘要：本文介绍了轴承钢的表面强化。

重点说明N等离子浸没注入法在轴承钢的表面强化中的重要作用。

同时对几种不同的几种强化方法进行了比较，说明了各自的优缺点及应用。

进而对于等离子体浸没离子注入技术的发展进行了叙述。

关键词：等离子体浸没注入；GCr15；表面强化；常规束离子注入技术；表面形变强化
Abstract:In this paper, the bearing steel surface strengthening was reviewed. And it focuses on the important role that the N-PIII technology played in the reinforcement of bearing steel. The application, advantages and disadvantages were described in the paper by the contrast among the different methods of strengthening. Then the paper analyzed the development of PIII technology.
Key words: Plasma Immersion Ion Implantation;GCr15;Surface strengthening; CBII; Surface deformation strengthen.
轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，要求轴承钢有高而均匀的硬度和耐磨性，以及高的弹性极限。

高碳铬轴承钢GCr15是世界上生产量最大（约占轴承钢生产总量的80%）的轴承钢，含碳为1%左右，含铬为1.5%左右，因其良好的耐磨性、抗疲劳性能以及尺寸稳定性而广泛应用于制造各类轴承及承受大负荷，要求高耐磨性，高弹性极限，高接触疲劳强度的机械零件和要求尺寸稳定性的精密量具、冷冲模等。

1. 轴承钢及其表面强化技术的概述
GCr15钢所制造的工件失效部位往往是表面或次表层[1]，失效形式以磨损或点蚀居多，因而通过表面处理的方法提高表面性能，可以延长工件的使用寿命。

同时GCr15钢欲获得高硬度，要求回火温度很低（约160℃），要求表面改性时不能试样温度过分升高，等离子体浸没离子注入（PIII）是较为理想的处理方法，处理温度接近室温，不会使工件发生软化或变形[2]，研究表明[3-5]，轴承钢经PIII处理后，磨损性能及耐蚀性能各有不同程度的提高。

目前对轴承钢的表面强化的方法有：离子束动态混合注入[6]和各种PVD、CVD 方法，在材料表面沉积和制备一层改性层；为提高显微硬度和抗磨损性能，用脉冲等离子束沉积的方法在材料表面沉积氮化硼（B-N）薄膜[7]；为增强基体与膜间的结合力，用等离子体浸没离子注入与沉积的方法合成制备TiN薄膜[8]。

等离子体浸没离子注入（PIII）是美国Conrad于1987年提出的一种表面改性技术[9]，能够克服上述方法中存在的一些缺点，可以处理形状较复杂的零件，且不存在界面结合力问题[10]，也可实现离子注入低温处理，并能保证零件的尺寸和表
面粗糙度。

2. GCr15钢的N等离子体浸没离子注入（N-PIII）
研究所用的轴承钢为AISI52100(GCr15)，采用淬火和回火处理（HRC61～65）。

其成分和热处理工艺见表1。

氮的PIII处理[11]是在多功能等离子体浸没离子注入装置[12]上进行的。

注入处理前用氩离子溅射30min，以除去试样表面的氧化物和油污。

真空度5×10-3 Pa，以N2(99.9%)为工作气体，通过射频辉光放电产生等离子体。

主要PIII技术参数为：气体流量50seem，射频源功率600W，金属源主弧电流120A，试样距磁导管口140mm，基体温度<100℃。

表1 AISI52100的化学成分与热处理工艺
C Si Mn Cr Fe composition/w% 0.95～1.05 0.15～0.35 0.20～0.40 1.30～1.65 balance annealing 845±5℃ quenched+150℃×3h tempered
2.1 N-PIII处理后GCr15钢的性能变化
表2 不同偏压下经N-PIII处理的GCr15的各项指标
Sample number L10(×106cycles)L50(×106cycles)Mean life(×106cycles) Weibull slope
β
N0 5.46 8.98
9.15 2.9
N1 5.84 14.8 26.2 1.8
N2 10.9 30.2 37.2 1.3
N3 8.48 23.1 28.1 1.5
一般轴承在通常使用条件下的疲劳寿命定义在90％置信区间，图2列举了不同条件下处理前后试样的L l0、L50,平均寿命和Weibul1分布斜率等参数。

可知：不同电压下，处理后试样的L l0和L50寿命分别较基体增加了6.96％、99.6％、55.3％和64.8％、236.3％、157.2％。

轴承疲劳寿命存在很大的分散性，不同条件下测试的疲劳循环次数及相应的Weibull分布曲线不能完全代表滚动轴承的接触疲劳寿命，但仍能定性地说明经过N-PIII处理后试样的疲劳寿命得到了很大改善。

图1 不同条件下的GCr15的显微硬度与弹性模量的大小
图1中，随着基体偏压的增加，N-PIII试样的微观硬度也逐渐增大，在-35 KV 时达到最大值l4.4 GPa，最大弹性模量为237GPa，与基体(7.4GPa和215GPa) 相比，其增幅分别达94.6％和10.2％。

图3(b)中，注入时间为4 h时，最大显微硬度达到l2.5GPa；注入时间为3h时，最大弹性模量为241GPa，比基体分别增加了68.9％和8.84％。

这表明氮离子注入形成了很硬的材料表面强化层，而且高的注入能量对应着相对较大的表面硬度。

图2 不同参数下N-PIII处理前后的摩擦曲线
图2为试样在不同参数下N-PIII处理前后的摩擦曲线。

(a)和(b)分别表示不同
偏压(注入时间4h)和不同注入时间(基体偏压为-25kV)时的摩擦系数与滑动圈数
的对应关系。

处理后试样的摩擦系数均低于未处理试样，且起始阶段的摩擦系数
均较低(约为0.1～0.2)，随着滑动圈数的增加，会逐渐增大到达或接近基体的摩
擦系数(约为0.9)。

如果将摩擦系数陡增处的滑动圈数定义为磨损寿命，则-35KV
和3h下的试样磨损寿命相对较长。

因为高的基体偏压下对应的离子能量相对较高，
离子扩散进入基体内部的距离就大，强化层相对较厚，从而耐磨性较好。

图3 GCr15钢试样摩擦磨损的SEM形貌图
从接触疲劳磨痕来看，经过N-PIII处理的材料其接触疲劳寿命远比未处理的
要高。

从疲劳剥落形貌图的分析可以看出，在接触应力和润滑条件相同时，处理
后试棒的疲劳破坏模式，可能是由于接触区内的滑动引起表面粗糙度增加或内部
夹杂处的表面磨损；也可能是由于循环载荷作用下亚表面裂纹的不断萌生和扩展。

2.2 N-PIII引起强化的原因
溶质原子对晶体力学性能的影响可以归结为两类[13]：直接影响, 即溶质原子和位错直接交互作用的结果；间接影响, 即溶质原子的存在改变了基体的某些位错属性（如位错密度或层错能），从而改变其力学性能。

在注N+情况下, 由于离子轰击时使金属表面损伤而产生了大量空位和空位团, 因而形成大量的位错网络, 这些缺陷的存在使表面强化；同时,部分N原子在马氏体晶格中成为间隙原子。

并能迁移到钢中位错芯的拉应力区,通过“柯氏气团”的钉扎作用[14]阻碍位错运动,使注氮层进一步被强化。

轴承寿命得以改善的原因一方面是因为氮离子注入所产生的高损伤缺陷，阻止了位错的移动，形成可塑性表面层；另一方面，由于注入离子剂量的增加，更多的离子会充填到近表面区域，使表面产生压应力而抑制表面疲劳裂纹的产生。

氮离子注入过程中固溶强化、残余压应力的产生以及塑性变形引起的位错阻碍运动等不同因素共同作用的结果。

例如晶格畸变导致内应力发生变化, 它能提高离子注入后轴承钢表面的耐磨性能[15]；另外，注入的N+与基体中Fe离子和Cr离子形成的氮化物相（如Fe2N、Fe3N、CrN或Cr2N）对材料表面显微硬度的提高起了很大作用。

这些硬质氮化物相的形成限制了磨损中材料表面的塑性变形而提高了弹性模量。

氮离子注入后产生表面压应力阻碍了位错和滑移带的运动而延缓了磨损过程中裂纹的萌生和扩展，致使滚动接触疲劳寿命得以延长。

2.3 PIII较常规束线离子注入（CBII）的优势
常规束线离子注入(CBII)对于改进材料表面的磨损、腐蚀、疲劳和摩擦、电学以及光学特性十分有效[16-17]，但CBII是一个从离子源中引出离子，经加速至高能后对基体表面进行扫描的视线过程。

如果基体为非平面靶，就需要有基体控制系统，使装置复杂化，CBII对复杂三位基体的注入存在空间注入量均匀性的问题，因而限制了它的应用。

与CBII相比，等离子体浸没离子注入（PIII）具有明显的优势：取消了复杂的离子源设备；因为工件是浸没在等离子体中，所有裸露部位将被同时注入，因此，不需要一般束线离子注入所需的靶材控制系统；离子从各个方向垂直注入靶体，不需要靶材扫描系统，不存在保持剂量问题；等离子体浸没离子注入容易被放大，从而使得大、重且形状复杂的工件的注入改性成为可能。

3. GCr15钢表面形变强化与N等离子浸没注入强化技术的对比
GCr15钢表面形变（喷丸）强化后，表面硬度升高1.0～3.0HRC，强化层的硬
度均匀一致；压碎载荷明显增加，形变强化处理有利于提高钢球的表面质量和精度[18]。

在GCrl5轴承钢球的表层产生了残余应力层，其分布深度大约为0.3mm，残余应力峰值并不在表面而是存在于亚表层中，即在距离表面下0.1mm附近[19]。

但是经表面形变强化后材料表面粗糙度增大（例如喷完后在表面形成大量的凹坑）[20]，会导致摩擦系数的增大。

滚动轴承钢在交变应力作用下失效形式为疲劳剥落，是通过疲劳裂纹在亚表面萌生、扩展、断裂，形成类似矩形、倒梯形和倒锥形剥落坑[21]。

而经过N-PIII 处理的GCr15钢的表面硬化层硬度可达18GPa，接触压力为5.1GPa；机械性能和表面接触疲劳寿命明显增加；疲劳破坏模式主要表现为表面磨损，显微硬度和弹性模量均匀大幅度增加。

通过以上数据及对比可知，N-PIII技术为GCr15钢的性能强化提供了一条有效的途径。

4. PIII技术的发展趋势及应用前景
PIII技术经过近20多年的发展表明：PIII可以获得常规束线离子注入技术对材料表面所取得的各种结果，但更为廉价、简单，尤其适用于形状复杂、大或重的工件的表面改性强化；不仅适于金属材料，也适于高分子材料、陶瓷以及半导体材料的处理；PIII技术可被扩展到多种模式运行，如离子束混合、离子束增强沉积、类金刚石碳膜等[22]。

随着对该技术研究的深入和与其它技术问的优势互补，PIII技术的独特优势将会得到更大的发挥，其工业应用前景十分乐观。

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