摘要：冷拔45钢平键应用广泛，等离子弧处理可以明显提高冷拔45钢的表面硬度，但是会增加表面粗糙度。为了获得稳定的表面性能，文章对冷拔45钢的金属表面处理剂等离子弧处理表面加工研究。结果表明，经过金属表面处理剂等离子弧处理的钢表面的显微硬度提高了约40%，硬度层深度约20μm；粗糙度与试样等离子弧处理前接近。与气相介质等离子弧处理表面加工相比，金属表面处理剂等离子弧处理在不影响冷拔45钢平键表面光洁度的情况下，可以明显提高其表面硬度。

　　关键词：45钢；平键；等离子弧；表面强化；金属表面处理剂

　　平键是机械紧固件的一种，是轴孔配合传动件，可拆卸连接，用于传递转矩和运动；当配件之间要求作轴向运动时，还可以起到导向作用。轴孔配合的平键联结是由平键和两个键槽组成的，平键作为传动中的受力件，其性能对联结的可靠和平稳运行起着重要作用。

　　平键的使用需要表面达到特定的硬度，冷拔45钢平键制造过程中，根据工艺要求有时还需要对表面进行额外强化才能投入使用。目前用于45钢平键表面强化方法主要有表面渗碳、表面渗氮和表面淬火等方法。这些表面强化方法存在周期长、能耗大以及环境污染等问题。

　　等离子弧是一种可控性很强的热源。等离子弧应用技术近年来发展迅速，已形成了独具特色的等离子弧材料加工新领域。等离子弧表面强化能够大幅度提高45钢的表面性能。黄齐文等［1］用0801激光合金化涂料，在QT600和45钢基材上进行了等离子束激光合金化对比试验，验证了等离子束表面合金化。

　　1试验材料与方法

　　1.1试验材料

　　试验采用沙钢集团安阳永兴特钢有限公司生产的Φ5.0.02 mm热轧45圆钢，由东台时达型钢有限公司制成3.3.02×3.3.02 mm冷拔45方型钢，由南通市精异圆机电标准件制造有限公司生产制成符合DIN 6885标准A3.28×3.28×8mm平键。A3.28×3.28×8mm冷拔45钢平键的表面硬度表1，金属表面处理剂化学成分见表2。

　　1.2试验方法

　　金属表面处理剂介质等离子弧表面加工试验采用自制的装置，如图1所示。试验前依然对45钢平键试样在振动式研磨机中光整15~20min，去除油、锈等污物，使试样表面状态光洁平整。将试样放置在盛水的容器中，保持平键待处理表面上方水膜厚度1~2mm。等离子弧器产生的等离子弧脉冲垂直作用于试样表面［2］。按设定的等离子弧加工参数制备试样，试验工艺参数列于表3。

　　采用显微硬度计测量试样的表面硬度，载荷0.5kg，载荷保持时间10s；采用表面粗糙度仪测量试样表面的粗糙度，在3.3×3.3mm范围内采用5点测量法计算出其平均值；采用金相显微镜观察试样的表面形貌和微观组织。

　　2试验结果与分析

　　前期试验表明，采用氩气气相介质中等离子弧扫描试样表面颜色都发生明显变化，在本研究的金属表面处理剂介质中等离子弧扫描试样在金属表面处理剂中放置5~8min，试样表面暴露空气中大约24h后，试样表面均未出现颜色改变的现象，等离子弧扫描试样的表面形貌还与金属表面处理剂膜厚度有关。当试样与金属表面处理剂表面距离大于2mm，试样表面不会出现熔凝的现象，但是试样如果与金属表面处理剂距离小于1mm时，只要进行等离子弧扫描就会出现试样熔凝不均匀现象。

　　等离子弧在表面产生的热量造成水分蒸发，因此，随着等离子弧扫描的持续进行，试样表面液膜厚度减少，局部会发生试样表面无水膜覆盖，从而导致试样的表面性能趋近大气介质等离子弧表面加工的状态。特别是当等离子弧扫描速度较慢时，更容易发生这种现象。

　　2.1表面粗糙度

　　图2为不同工艺参数等离子弧扫描表面的粗糙度测量结果。金属表面处理剂介质保护等离子弧扫描后试样粗糙度Ra0.76~0.89，而未等离子弧试样Ra0.68~0.82，粗糙度值接近，根据机械传动平键连接的适用性，等离子弧后的试样符合其使用性能，因此不需要做任何处理，通过试样与工艺参数以及试样表面观察，能够分析出，试样发生大面积熔凝的现象试样表面粗糙度变化较大，而熔凝较小则粗糙度变化小。

　　2.2 45钢的耐磨性分析

　　利用金相显微镜观察扫描试样前后45钢平键激光扫描层磨损的形貌。测定试验磨削痕迹距离不大，通过对试样尺寸和重量测量可以发现，试样在扫描处理时，只要发生熔凝，试样无论尺寸和重量都有明显的下降。然后利用滚动式磨损试验机对试样进行摩擦试验，摩擦长度为20mm试验结束后用酒精将摩擦面清洗干净，然后用显微镜观察测量痕迹并测量尺寸。

　　试验采用称重法测定耐磨性，称重法就是计算钢平键试样在实验前后的重量之差。试样之间的摩擦所引起的磨损量，采用HC2004型电子天平称量出45钢平键试样试验前、后重量之差，由表4平键试样等离子弧后相对于试验前的磨损，磨损宽度未扫描10.12μm，扫描加光整4.11μm，磨损宽度减少56%，质量方面，未扫描相对于本体质量减少了0.08%，扫描加光整相对于本体质量减少了0.03%，可以看出扫描试样的磨损度比未扫描试样磨损度提高近50%。因此可以认为45钢平键试样经过等离子弧处理后耐磨性能有明显提高。表面性能的提高主要体现在以下两个方面，一方面，晶粒细化的作用，一定深度的晶粒在这种高密度的能量作用下得到了细化，部分甚至达到了纳米级别，提高了金属的硬度、强度。另一方面，扫描后热效应引起的残余压应力的作用，由于扫描试样表面有益的残余压应力的存在，晶粒的细化使得金属的硬度和耐磨性能有所提高。

　　3结论

　　（1）采用金属表面处理剂介质的等离子弧表面加工可以在不改变冷拔45钢平键表面光洁度的情况下，提高其表面显微硬度提高近40%，硬度层深度约20μm。

　　（2）金属表面处理剂膜厚度对等离子弧处理试样表面性能有重要影响。水膜厚度太大，等离子弧处理表面光洁度高、硬度低；水膜厚度太小，则等离子弧处理表面硬度高，光洁度低。最佳工艺参数：等离子弧频率50kHz、等离子弧脉宽2ns、等离子弧扫描速度100mm/s、金属表面处理剂膜厚度1.5mm。

　　（3）冷拔45平键表面存在加工硬化强化，单纯的等离子弧冲击强化机制不能使其表面硬度进一步提高。金属表面处理剂介质下等离子弧扫描冷拔45钢平键表面的强化机制为等离子弧表面熔凝。

　　参考文献

　　［1］黄齐文，胡树兵，王爱华.等离子束表面强化技术的研究进展［J］.金属热处理，2011，36（8）：1-8.

　　［2］Darabara M，Bourithis L，Diplas S，et al.A TiB 2 metal matrix composite coating enriched with nitrogen：Microstructure and wear properties [J］.Applied Surface Science，2007，254（13）：4144-4149.