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原文传递汽车减振器活塞杆的气体氧氮化复合处理工艺及性能研究

论文题名：	汽车减振器活塞杆的气体氧氮化复合处理工艺及性能研究
关键词：	汽车减振器;活塞杆;气体氧氮化;耐磨性;耐蚀性
摘要：	据某著名汽车上市公司2019年内部调查数据表明:60～70％的减振器早期失效形式为活塞杆表面铬层磨损导致漏油。镀铬活塞杆在服役过程中表面与密封件之间出现异物磨蚀，造成杆的表面铬涂层微裂纹扩展，出现破裂、剥落和凸起等问题，这些问题又会加剧衬套和油封的磨损，从而形成恶性循环，威胁汽车的行驶安全，而且电镀铬技术存在环境污染问题。为解决这些问题，课题组和该公司合作开展研究，采用低成本、低碳环保的气体氧氮化复合处理技术对活塞杆表面进行强化处理，以调质42CrMo钢作为活塞杆基体材料，对比研究气体氧氮化复合处理和镀铬试样的综合性能。利用金相显微镜、扫描电镜、显微维氏硬度、X射线衍射仪和划痕测试系统对不同工艺处理得到的表面改性层微结构进行分析。通过摩擦磨损实验、电化学实验和中性盐雾实验(NSS)的数据分析，研究两种改性涂层的耐磨和耐蚀性能。主要的研究工作内容包括以下几个方面: 　　(1)调质42CrMo活塞杆采用两段工艺进行氮化处理。在氮化第一段温度600℃下氮化3.5h，氮化第二段温度560℃下氮化1.5h，氮化效果最好，能够在获得686.3HV0.1化合物层表面高硬度的同时，具有厚度为303μm的有效渗层。经气体氧氮化复合处理后可在试样表面形成扩散层、化合物层和氧化层组成的多层结构，其中扩散层物相为α相，化合物层物相为ε-Fe2-3N和γ''-Fe4N，氧化层物相为Fe3O4。　　(2)氮化后采用抛光处理工艺，经处理后的氧氮化(GNPO)试样氧化膜层比未抛光处理更加均匀致密，厚度为2μm。其氧化膜层与化合物层具有更好的附着性能，附着力达到35N，比未抛光处理的氧氮化(GNO)试样提升了25％。　　(3)对比分析试样表面改性层结构，气体氧氮化(GNPO)试样表面硬度约为596HV0.1,高于GNO试样的501HV0.1。次表面的化合物层具有最高硬度，值为800HV0.1，厚度为16μm。截面硬度梯度下降平缓，在具表面0～340μm的距离区间内缓慢降至基体硬度。镀铬试样的铬涂层厚度为22μm，表面硬度为940HV0.1，截面硬度梯度陡峭，从铬涂层的940HV0.1降至基体的365HV0.1，导致表面铬涂层附着力仅为27N。　　(4)在干摩擦条件下，与Si3N4陶瓷球的摩擦磨损实验中，气体氧氮化试样在5N、1O N、15N的摩擦系数分别为0.494、0.554和0.555低于镀铬的O.57、0.60和0.59，摩擦系数曲线平稳，其磨损率较镀铬试样分别降低了23％、40％和46％。与实际工况配副特氟龙和尼龙的摩擦磨损实验中，100N、200N和300N载荷下，两种试样与特氟龙对磨的摩擦系数相接近，但每种载荷下氧氮化试样产生的磨痕深度较镀铬具有不同程度的降低，300N载荷下相差最大，降低了480μm。与尼龙对磨实验中，随着载荷的增大，两者的摩擦系数差值增加，氧氮化的摩擦系数始终低于镀铬试样。100N载荷下，氧氮化试样的摩擦系数仅比镀铬的摩擦系数低了0.003，而在300N载荷下其摩擦系数差值达到0.08。每种载荷下氧氮化试样产生的磨痕深度至少比镀铬产生的磨痕深度降低了170μm。　　(5)在油液润滑条件下，与Si3N4陶瓷球的边界润滑摩擦磨损实验中，摩擦初期气体氮化试样的摩擦系数在0.15左右波动，随后逐渐转变至干摩擦。气体氧氮化试样的摩擦系数仅为0.08，中期出现摩擦突变，系数变为0.115，随后与氮化试样摩擦趋势一致。镀铬试样的摩擦系数为0.11，系数始终呈现缓慢上升。浸油润滑过程中氧氮化试样系数突变点为3800s，因氧化膜脱落导致系数激增，无FeS2摩擦膜生成。实际工况下，配副特氟龙和尼龙的摩擦磨损实验中，100N、200N和300N载荷下，气体氧氮化与尼龙和特氟龙间的摩擦系数均在0.03左右波动，磨痕表面平整。镀铬试样与两种对磨副的摩擦系数和磨痕深度均大于氧氮化试样，且磨痕表面犁沟多，随着载荷增大，磨痕深度翻倍增加。　　(6)采用动极化曲线和阻抗谱(EIS)分析，GNPO处理的试样腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-363mV和0.89μA/cm2，比镀铬试样分别提升了48％和71％。气体氧氮化复合处理(GNPO)活塞杆在中性盐雾实验条件下抗腐蚀时间为496h，约为镀铬活塞杆的3倍。
作者：	王自力
专业：	机械工程
导师：	陈荣发;顾晓文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2022