尽管奥氏体耐磨板因优异的耐蚀性而得到大量应用,但其摩擦学特性差,尤其是抗磨蚀或粘着磨损性能低,并具有微动磨损趋势,阻碍了这类材料在需要耐腐蚀和耐磨损领域中的应用。德国鲍迪克公司耐磨板处理(S3P)线提供了增加材料机械性能而不改变耐腐蚀特性的解决方案。热化学扩散工艺形成富碳或富氮S相,同时避免碳化物或氮化物析出。典型的应用包括食物、饮料、药物、医疗用品以及化学工艺设备,不过,本文将主要介绍耐磨板在汽车行业的应用。
耐磨板长期以来被用作汽车结构件或装饰件。一个典型的例子就是劳斯莱斯幻影的奥氏体耐磨板前罩板和耐磨板内嵌件。耐磨板中主要是铁素体耐磨板在汽车上大量使用,因为铁素体耐磨板能够使排气系统在高温、腐蚀环境下工作。如排气岐管、管路和消音器等零部件,均采用AISI 409耐磨板制作。更昂贵的耐磨板,如双相耐磨板,已经在汽车上得到规模应用,由双相耐磨板制作的功能零件结合了机械强度和极高的抗腐蚀性能。汽车行业正面临着安全和高效方面的严格要求,这对应用耐磨板材料来说是一个极好的机遇。
1.抗机械摩擦的新前沿
下面来看一个具体例子。某汽车工程公司生产滑动轴承,在应用S3P线处理后,生产出的滑动轴承性能得到提升,证实了S3P如何完美地改善耐磨板的力学性能。对电磁阀用滑动轴承,当采用未经硬化处理的耐磨板时,轴承工作24万次后失效,而采用类金刚石涂层(DLC)材料时,在7400万次后失效。当使用表面低温硬化处理的耐磨板时,轴承寿命远超过任何以往的记录,轴承在工作5.6亿次后仍然可以运转。尽管DLC具有非常高的滑动性能,它的表面硬度远超过S相,但是S3P处理能使耐磨板零件抗腐蚀性能、硬度、韧性和疲劳强度等综合性能得到大幅提升。
2.更深入的应用领域
在表面低温硬化条件下形成的10-40μm扩散层,其关键优势是消除任何可能的分层风险,这对抗压力冲击和热冲击性能而言也是有益的。尽管耐磨板中富碳S相的硬度超过1000HV0.05,但是在快速装炉过程中仍然保持塑性。这些特征使其应用在高产、高技术汽车行业的许多地方,目前应用领域包括内燃机、动力传递、传动和排气系统。S3P甚至可以硬化体积最小的零部件,这带来成本优化。以下给出的例子说明这些硬化耐磨板可以满足更多领域并降低总成本。
3.消除动力连接件的擦伤
安装在内燃机附件的机械运动零件遭受相对高的腐蚀。路面上的盐分或者在滨海附近开车,增加了不同机械零件腐蚀损害的风险。发动机舱内的高温进一步提高腐蚀效应。当考虑发动机内部使用腐蚀性生物燃料时,机械零件也会遭受其他形式的腐蚀。
对动力连接件而言,特别是抗擦伤能力尤为重要。与未经处理的表面相比,低温渗碳表面具有明显优势。按照ASTM G98标准对AISI 316L耐磨板进行的测试结果表明,与未经处理的表面相比,经处理后擦伤门槛应力值大幅提升。未经处理耐磨板在45.5MPa时被擦伤,而渗碳表面在842.5MPa时还未见擦伤。这一数值超过材料的屈服强度,因此发生塑性变形。