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        35CrMo鋼罐裝法多段滲氮滲層組織與耐蝕性能

        2013-10-16 06:29:52于玉城王振玲王振廷
        關(guān)鍵詞:白亮滲氮滲層

        于玉城, 王振玲, 王振廷

        (黑龍江科技學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

        0 引言

        研究表明,罐裝法滲氮具有經(jīng)濟(jì)、快速和設(shè)備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)[1]。但如何在短時(shí)間內(nèi)制備出優(yōu)質(zhì)的滲氮層,仍然是需要繼續(xù)探討的課題。鋼的滲氮過程包括氮化介質(zhì)(氨氣)的分解、活性氮原子被工件表面吸收和氮原子向鋼件內(nèi)部擴(kuò)散三個(gè)過程。為加速滲氮效率,可在不同的滲氮階段調(diào)整溫度和保溫時(shí)間來獲得最佳的滲氮效果,即采用多段滲氮工藝[2-5]。35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼,有很高的靜力強(qiáng)度、沖擊韌性及較高的疲勞極限,淬透性較40Cr高,高溫下有高的蠕變強(qiáng)度與持久強(qiáng)度,長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)500℃,主要用于制造承受沖擊、彎扭、高載荷的各種機(jī)器中的重要零件,如軋鋼機(jī)人字齒輪、曲軸、錘桿、連桿、汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)主軸等。文中以尿素做滲氮?jiǎng)┎捎霉扪b法對(duì)35CrMo鋼進(jìn)行滲氮,來探討多段滲氮工藝對(duì)滲氮層組織和耐蝕性能的影響。

        1 材料與方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        實(shí)驗(yàn)材料為35CrMo鋼,滲氮前35CrMo鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,850℃ ×30 min(水淬)+550℃ ×40 min(高溫回火),以獲得良好的綜合性能。滲氮試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm,耐蝕實(shí)驗(yàn)的試樣尺寸為Ф15 mm×3 mm。滲氮前將樣品表面用細(xì)砂紙打磨光滑,然后用丙酮擦洗進(jìn)行除油。滲氮?jiǎng)┻x用尿素,催滲劑為NH4Cl,其加入比例為2%。

        1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工藝

        將樣品和滲氮?jiǎng)┓湃脘摴拗胁⒚芊?,然后將鋼罐放進(jìn)電阻爐中進(jìn)行加熱滲氮。具體的多段滲氮工藝如圖1所示,滲氮總的時(shí)間均為6 h。

        1.3 測(cè)試分析方法

        滲氮層的顯微組織采用XJP-3A型金相顯微鏡進(jìn)行觀察。滲層的物相分析在Rigaku D/max-RB型X射線衍射儀上進(jìn)行。顯微硬度利用MHV2000數(shù)顯顯微硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。利用CHl660B型電化學(xué)工作站測(cè)試在3.5%的NaCl溶液中滲氮試樣的極化曲線,輔助電極為碳棒,參比電極為飽和的甘汞電極。

        圖1 35CrMo鋼多段滲氮工藝Fig.1 Process drawing of multiple-stage nitriding of 35CrMo steel

        2 結(jié)果與討論

        2.1 滲氮層組織

        圖2 不同工藝條件下的滲氮層組織Fig.2 Microstructure of nitriding layer under different nitriding technology

        圖2為35CrMo鋼采用不同的階段滲氮工藝制備出的滲氮層組織。從圖2中可以看出,采用三段滲氮工藝,獲得的滲氮層厚度值最大,且滲氮層連續(xù)性較好。采用二段和四段工藝獲取的滲氮層厚度次之,一段滲氮工藝制出的滲氮層厚度最薄。這表明三段氮化工藝比較符合密封罐法滲氮規(guī)律。對(duì)該工藝條件下制備出的滲氮層進(jìn)行X射線衍射分析,發(fā)現(xiàn)滲氮層主要由Fe-Cr相和Fe3N相組成,如圖3所示。由圖2可以看出,采用三段滲氮工藝制備出的滲層較厚,連續(xù)性較好。分析認(rèn)為:在520℃滲氮3 h后,鋼表面形成一定厚度的滲層后,滲速快慢主要靠氮原子在鋼中的擴(kuò)散速度來決定,而決定擴(kuò)散速度的主要因素是溫度。此時(shí)將滲氮溫度提高到600℃,可以有效提高氮原子在滲件表面的擴(kuò)散速度。但同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間高溫滲氮,會(huì)使鋼表層和心部的組織粗大,硬度下降,氮化后滲件力學(xué)性能下降。因此,鋼氮化溫度在高溫(600℃)保溫一定時(shí)間后,再降至低溫(520℃),既提高了滲氮速度,提高表面耐蝕性,同時(shí)又保證了氮化件的綜合性能。

        圖3 三段滲氮工藝35CrMo鋼氮化層的X射線衍射譜Fig.3 X-Ray pattern of nitriding layer of 35CrMo obtained by three-multiple-stage technology

        2.2 顯微硬度

        圖4為35CrMo鋼采用不同階段滲氮工藝時(shí)氮化層的顯微硬度分布。從圖4發(fā)現(xiàn),與一段滲氮工藝相比,采用多段滲氮后其滲氮層的顯微硬度均有一定增加,其中采用三段滲氮工藝獲得的滲層的整體硬度值最高,采用兩段和四段工藝的滲氮層硬度值次之。這與不同工藝條件的滲氮層厚度的變化趨勢(shì)相一致,說明滲氮層較厚,相應(yīng)其硬度值也較高一些。

        圖4 35CrMo鋼從氮化層表面到基體的硬度分布曲線Fig.4 Hardness distribution curves of nitriding of 35CrMo steel from surface to matrix of different multiple-stage nitriding

        另外從圖4中還可以看出,35CrMo鋼基體硬度為364 MPa,經(jīng)過多段滲氮后白亮層硬度能超過750 MPa,滲層深度d也達(dá)到20 μm;過渡層硬度為300 ~600 MPa,滲層深度超過300 μm。

        2.3 耐蝕性

        圖5是不同氮化工藝時(shí)滲氮試樣的極化曲線,表1是與極化曲線有關(guān)的參數(shù)。

        圖5 不同分段滲氮工藝時(shí)氮化層的極化曲線Fig.5 Polarization curves of nitration case layer

        表1 腐蝕參數(shù)Table 1 Corrosion parameters

        從圖5及表1數(shù)據(jù)可以看出,與未滲氮的原始試樣相比,滲氮后試樣的自腐蝕電位均增大,這意味著滲氮后樣品的耐蝕性均得到改善。但采用三段滲氮樣品的自腐蝕電位值最大,且為正值,表明該條件下氮化層極化度變大,腐蝕進(jìn)行較困難;其次為一段滲氮,二段和四段滲氮樣品的自腐蝕電位相對(duì)較小。此外,35CrMo鋼滲氮后樣品的自腐蝕電流均比未滲氮的要小,而利用三段滲氮樣品的自腐蝕電流最小,二段滲氮的次之,一段和四段的偏大些。由此可見,采用三段滲氮工藝制備出的滲氮層具有較好的耐蝕性。鋼滲氮后提高耐蝕性的原因,主要是滲氮層中形成了白亮層,但白亮層具有一定厚度(30 μm左右),且結(jié)構(gòu)致密[6],才能保證良好的耐腐蝕性。由圖2中的組織觀察可知,35CrMo鋼采用三段滲氮后其氮化層中白亮層最厚,且較致密,因而表現(xiàn)出較好的耐蝕性能。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        以尿素為滲氮?jiǎng)?,采用密封罐法?duì)35CrMo鋼進(jìn)行分段滲氮。當(dāng)采用三段滲氮工藝(520℃×3 h+600℃ ×2 h+520℃ ×1 h)時(shí),所制備的較優(yōu)質(zhì)的滲氮層,具有良好的耐蝕性。該工藝具有一定的理論和實(shí)踐意義。

        [1]王振玲,趙振華,薛麗娟.罐裝法氯化銨催化40Cr鋼滲氮組織與耐磨性能[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2011,21(6):433-435.

        [2]高美蘭,白樹全.滲氮技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].新技術(shù)新工藝,2011(4):68-70.

        [3]王麗蓮.滲氮技術(shù)及其進(jìn)展[J].熱處理,2001(2):6-9.

        [4]李志明,李 志,佟小軍.快速滲氮工藝的最新進(jìn)展[J].熱處理技術(shù)與裝備,2007,28(2):11-16.

        [5]魏玉田.熱循環(huán)催滲的快速滲氮法[J].模具工業(yè),1991(12):49.

        [6]何美清,黃新民,劉 巖.稀土催滲對(duì)耐蝕氮化的影響[J].稀有金屬快報(bào),2007,26(3):26-31.

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