肖林林， 班塞迷塔， 郑楠楠， 张宝东, 范永哲

(1.北京北方车辆集团有限公司，北京 100072；2.河北工业大学，天津 300401)

特种车辆作业环境极其恶劣，履带连接件经常出现“锈死”的现象，正常的方法难以将其拆卸，往往采用破坏性方法将其切断，不但零部件就此作废而且浪费大量时间.目前履带板连接件的表面处理主要是通过达克罗或化学镀镍进行防腐.达克罗涂层和化学镀镍层在完好状态下，特别是静态状态(无摩擦情况)防海水腐蚀效果很好.但是达克罗涂层，硬度低，约为2H～6H(H为铅笔硬度测量单位)，附着力低(<100 MPa)，不耐磨损和磕碰，且涂层的厚度很薄(约从几个微米到十几个微米)，往往在履带组装时，螺纹件紧固和端联器套装过程中，涂层已经遭到破坏，已基本失去了防腐蚀功能.

化学镀镍防腐处理镀层在30 μm以上，才具有较好的防腐效果.为保证螺纹和孔轴装配精度，化学镀镍层控制在10～15μm时，不能较好发挥化学镀镍的防腐效果.镀层硬度虽高，但与基体结合为机械结合，结合力一般<200 MPa.对于重载，高速工况下的履带连接件，常常产生镀层脱落，而使零件失去防腐能力.此外制造成本高.

为了解决此类问题，将介绍两种能够代替达克罗以及镀镍的两种表面处理方法：复合粉末渗锌以及锌铝共渗热化学表面处理.通过对比试验，总结分析两种工艺方法的优劣性.

1 试验过程

1.1 试验方法与步骤

复合粉末渗锌/锌铝共渗工艺流程包括以下3个阶段：1)渗前处理，包括除油、除锈等工序；2)热渗过程，包括调配热渗炉料、装炉、加热、保温、冷却、出炉、分离零件,等等；3)渗后处理，包括除尘、抛光、钝化、凉干等工序.

1.1.1 渗前处理

钢铁构件在复合粉末渗锌以前的表面状态和洁净程度，是保证获得优质渗层的重要条件.在粗糙、锈蚀和污染的零件表面上，很难获得性能良好的渗锌层，因此在渗锌前必须将构件表面的油污、氧化皮及锈蚀等清除干净.可以采用有机溶剂除油、化学除油、机械除油和擦拭除油,等一种或多种方法除去零件表面的油污.

本研究采用化学除油对试块和样件进行前处理.化学除油是利用热碱溶液对动植物油脂的皂化及各种油类(包括矿物油)的乳化作用除去油脂，比有机溶剂清除彻底，通常用于构件酸洗除锈前的处理工序.

1.1.2 渗锌与锌铝共渗工艺选择

渗锌过程包括调配热渗炉料、装炉、加热、保温、分离零件等工序.渗锌剂主要由锌粉、添加剂和填充载体组成.根据构件表面积和需要镀的厚度计算用锌量，这是控制渗层厚度的一种措施.对复合粉末渗锌，添加剂为纳米稀土CeO2或NH4Cl等活化剂，用量为渗锌剂的1%～2%.填充载体用于防止锌粉相互粘结、使锌粉均匀分布在渗锌剂中、并有助于构件的均匀加热，在渗锌容器旋转中使得锌粉充分与构件表面机械接触.在进行大批量生产时，填充载体是渗锌剂的主要组成，其材料为工业用氧化铝、石英砂(SiO2)或粘土熟料.

渗锌/锌铝共渗工艺过程是：将装有构件以及渗剂的密封容器放置在加热炉中加热，当温度升高到340～450 ℃时，保持温度恒定40～150 min，然后随炉冷却至50℃左右.渗锌的加热温度和保温时间是决定渗层厚度和质量的关键，加热段速率、加热方式、最高温度和保温时间等，都会影响渗层合金化和组织结构.

1.2 试验所用材料与设备

工程化试件制作明细包括：诱导齿、端联器、螺栓样件及38CrSi、42CrMo和35#钢样块.特种车辆连接件试样的大批量试验装备为电加热式渗锌炉，在合适的温度下保温合适的时间，随后随炉冷却.对试样的各项性能进行检测.

2 试验结果分析研究

2.1 样块硬度检测对比

首先进行热处理：38CrSi试样通过淬火910 ℃(5～8 min)、回火550 ℃(60～80 min)，达到硬度HRC32.5～39；42CrMo试样通过淬火840 ℃(5～8 min)、回火550 ℃(60～80 min)，达到硬度HRC32.5～39；35#钢试样通过淬火860 ℃(5～8 min)、回火540 ℃(60～80 min)，达到硬度HRC18～28.

对热处理后的样块进行硬度检测后，分别进行渗锌和锌铝共渗，处理后再次进行硬度检测，详细测试结果如表1所示.

表1 样块渗锌以及锌铝共渗后硬度参数对比

由表1可见，在热处理回火温度高于渗锌、锌铝共渗的保温温度时，硬度无明显变化，渗锌、锌铝共渗前后硬度均在要求范围内，并无明显区别.

2.2 工程化样件结果分析

将此工艺参数应用到工程化样件中进行试验.试验结果对渗锌与锌铝共渗的厚度、渗层成分、表面硬度与结合强度、耐蚀性等方面进行分析对比.

2.2.1 样件厚度结果与分析

通过采用金相显微镜以及磁性测厚仪两种方法，对端联器渗锌层和锌铝共渗层厚度进行检测，均在18～30 μm之间且镀层完整、均匀，渗锌与锌铝共渗无明显差别.金相图以及实测厚度值见图1.

图1 端联器渗锌以及锌铝共渗截面图片

2.2.2 样件渗层成分结果与分析

采用X-射线衍射分方法判断锌铝共渗层中是否含有铝.采用Rigaku DMAX-RC型X射线衍射仪对端联器样件平面渗层进行物相检测分析，确定渗层的物相组成.本试验采用CuKα，λ=1.540 6 Å，步长0.02，测试角度为10°～90°.根据能谱分析可大概了解渗层中铁锌等元素的含量以及在各部位的分布情况，并计算出在渗层中可能存在的物相.再结合XRD分析结果，两者加以对比，就可准确得出渗层中含有的物相[1].锌铝共渗渗层成分中可知渗层中含有铝成分，详见表2.

表2 锌铝共渗渗层表面不同点元素组成和相对含量[1]

2.2.3 渗层表面硬度与结合强度对比

通过维式硬度计检测端联器样件渗层表面硬度，具体数值如表3所示.

表3 渗锌端联器样件以及锌铝共渗端联器样件渗层 表面硬度对比

采用锤击法进行硬度检验：用1 kg的锤子，距离样件表面30～50 cm的高度自由落体砸下，渗锌层未及锌铝共渗层均未出现脱落或露出金属底色等现象.

渗锌、锌铝共渗层属于冶金金属镀层，主要特点是硬度高，耐磨、抗划伤性能好，与基体金属的结合属于冶金结合，结合强度高.

2.2.4 硬度结果分析

对诱导齿、端联器、螺栓样件分别进行切割，对样件基体硬度进行检测，具体数据见表4.样件经过渗锌或锌铝共渗处理后基体硬度符合零件要求.

表4 渗锌端联器样件以及锌铝共渗端联器样件渗层 表面硬度对比

3 耐蚀性试验

3.1 未钝化处理渗锌及锌铝共渗样块中性盐雾试验

锌铝共渗渗层在盐雾试验中的腐蚀初期，渗层表面很快长满一层很厚的毛絮状物质，腐蚀产物为ZnO、Zn(OH)2、Zn5(OH)8Cl2H2O、ZnAl2O4、FeOCl以及FeZn7，较之渗锌层腐蚀产物，多了ZnAl2O4这一相；继续腐蚀，渗层上腐蚀产物增厚，上面出现许多细小的“针叶”状物质，应是ZnAl2O4，并且它的含量逐渐增多，对渗层腐蚀的减缓作用增强；腐蚀后期，微观形貌为分布均匀的胞状，上面布满排列致密的“针叶”状小颗粒，ZnAl2O4已在渗层表面形成一层致密的保护层，减缓了腐蚀速率.

在粉末渗锌中添加铝元素进行共渗后，会获得耐蚀性能更加优良的渗层.通过将粉末渗锌和锌铝共渗得到的渗层进行盐雾试验对比，发现锌铝共渗的渗层在腐蚀过程中会产生一种具有稳定结构的氧化物——尖晶石(ZnAl2O4)，它能够在渗层表面形成一层致密的保护层结构，阻断渗层内外物质的传输交换，有效地降低腐蚀速率[2].另外，较之于铁元素来说，锌和铝的电位要低得多，可以通过牺牲阳极的方式为钢铁基体提供保护.并且，锌和铝元素均以与铁的化合物形式出现在渗层中，使得锌铝与基体间的电位差大大降低，来提供保护作用.除此之外，锌铝共渗层是以与基体形成化学键的方式存在，因而和基体有极好的附着力，使得渗层耐蚀性和耐磨性得到显著改善，比起渗锌的防腐蚀效果要更佳[1].如表5所示.

表5 渗锌及锌铝共渗未钝化中性盐雾试验结果对比

3.2 进行后处理的渗锌与锌铝共渗中性盐雾试验对比

3.2.1 进行封闭处理

为进一步提高渗锌及锌铝共渗件的耐蚀性，先任选3个螺栓渗锌样件进行封闭处理，与未进行封闭处理的螺栓共同进行中性盐雾试验，效果如图2所示.

图2 样件表面处理状态

由图2能够看出，在经过240 h的中性盐雾试验后，未经过封闭后处理的样件布满了红锈，明显未能通过盐雾试验；但是经过封闭后处理的样件，略有白锈出现，符合要求.

3.2.2 将钝化与封闭效果进行对比

图3(a)诱导齿试件为整体钝化后的锌铝共渗层，图3(b)诱导齿试件左侧为未经封闭的渗锌层，右侧为封闭后的渗锌层.

图3 诱导齿锌铝共渗经过不同处理中性耐盐雾对比

经过240 h中性盐雾试验后，锌铝共渗试件布满白锈，无红锈；渗锌试件左侧未封闭的部分布满红锈，封闭的无红锈，有少量白锈.

4 结 论

渗锌及锌铝共渗的工艺温度未超过零件热处理回火温度时，对38CrSi、42CrMo、35#钢3种材料基体硬度影响不大.说明回火温度高于450 ℃的零件可以采用渗锌或锌铝共渗处理.渗锌及锌铝共渗工艺形成的渗层均匀，厚度在18～30 μm之间，满足典型零件的要求.且锌铝共渗层中确含有铝元素.渗锌及锌铝共渗层表面硬度>220 HV，冶金结合强度在300～350 MPa.

渗锌与锌铝共渗的工艺及性能相近，对比分析结果如下：

1)目前渗锌温度最低可降低至(350±10) ℃，保温2～2.5 h；锌铝共渗温度最低可降低至(410±10) ℃，保温2.5 h.在综合考虑能耗方面，渗锌的工艺要优于锌铝共渗.

2)锌铝共渗比渗锌的耐盐雾性好.在恶劣环境下长时间工作的零部件，锌铝共渗的工艺要优于渗锌工艺.

3)封闭层对渗锌层起到了很好的保护作用，大大提高了渗锌的耐腐蚀性能，保护作用明显；耐蚀性能，封闭层比钝化层更能提供耐蚀性，所以建议零部件要进行封闭后处理.