陳曦桐，任守德

(黑龍江省防汛抗旱保障中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 概 述

水利工程中有壓輸水隧洞的進(jìn)出口段往往需要增加鋼襯來(lái)保證工程安全。鋼襯可承受較大的內(nèi)部水壓力，可消除混凝土裂縫導(dǎo)致的內(nèi)外滲水，能夠提高輸水效率，并且避免輸水洞進(jìn)出口段的水工建筑物失穩(wěn)情況發(fā)生?；诎踩缘目紤]，輸水洞中的鋼襯需要有較高的硬度、耐腐蝕、耐磨損等性能，所以，可以對(duì)鋼襯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高其性能及使用壽命。考慮到鋼襯處理的成本問(wèn)題，可采用表面工程處理方法對(duì)鋼材進(jìn)行改性研究。有研究表明，鋼材經(jīng)過(guò)等離子體滲氮后，表面硬度提高；鋼材經(jīng)過(guò)激光淬火后，表面活性增大，表面硬度可大幅提高，并且可提高耐腐蝕性及耐磨性[1-3]。作者采用滲氮和激光淬火復(fù)合改性的方法對(duì)鋼襯進(jìn)行處理。

2 試驗(yàn)方法

選取30CrMnSi調(diào)質(zhì)態(tài)鋼作為試驗(yàn)材料，對(duì)其進(jìn)行500 ℃滲氮?jiǎng)恿W(xué)試驗(yàn)(N∶H=3∶1，保溫時(shí)間分別為2 h、4 h、8 h和16 h)，滲氮設(shè)備為自制等離子體多元共滲裝置，裝置簡(jiǎn)圖如圖1所示。滲氮處理后，再次對(duì)鋼材進(jìn)行激光淬火處理，激光加熱成套設(shè)備如圖2所示。

圖1 自制等離子體多元共滲裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2 激光加熱成套設(shè)備

分別對(duì)調(diào)質(zhì)態(tài)、經(jīng)滲氮處理、經(jīng)滲氮加激光復(fù)合處理的鋼材進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的流程為：(1)將鋼材試樣用砂紙研磨并用拋光機(jī)進(jìn)行拋光處理。(2)采用HV-1000型維氏顯微硬度計(jì)對(duì)試樣的表面及截面進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，加載載荷100 g，加載時(shí)間20 s。(3)配置腐蝕劑(成分：苦味酸、丙酮、水)，對(duì)部分鋼材試樣進(jìn)行表面腐蝕，用顯微鏡觀察晶粒的腐蝕情況。(4)對(duì)部分鋼材試樣進(jìn)行XRD圖譜分析，分析相含量。(5)對(duì)鋼材試樣進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試，測(cè)量磨損失重，并作出摩擦系數(shù)變化分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 硬度測(cè)試

500 ℃滲氮?jiǎng)恿W(xué)及經(jīng)掃描速率為15 mm/s的激光淬火工藝改性后的試樣顯微硬度分布曲線(xiàn)如圖3所示。由圖3可知，調(diào)質(zhì)態(tài)的鋼材硬度較低，經(jīng)過(guò)滲氮處理的鋼材表明硬度得到提高，經(jīng)過(guò)滲氮加激光復(fù)合處理的鋼材硬化層變厚，比僅經(jīng)過(guò)滲氮處理的鋼材優(yōu)化效果顯著。原因分析：滲氮處理時(shí)，氮原子的滲入使得鋼材表面部分的晶格發(fā)生畸變，使得材料硬化；當(dāng)進(jìn)行激光掃描時(shí)，受高溫影響，氮原子可以進(jìn)一步向鋼材內(nèi)部擴(kuò)散，導(dǎo)致改性層變厚。

圖3 500 ℃滲氮及經(jīng)激光淬火改性后的試樣顯微硬度曲線(xiàn)

3.2 耐腐蝕性測(cè)試

鋼材晶粒的大小與耐腐蝕性能息息相關(guān)。當(dāng)鋼材的晶粒細(xì)化時(shí)，可以有效改善鋼材的性能，提高鋼材的耐腐蝕性。用腐蝕劑分別對(duì)調(diào)質(zhì)態(tài)鋼材、500 ℃經(jīng)16 h滲氮的鋼材試樣及滲氮加激光復(fù)合處理(激光處理掃描速度為15 mm/s)鋼材進(jìn)行腐蝕處理，用顯微鏡觀察晶粒大小的變化情況，腐蝕結(jié)果如圖4所示。《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》(GB /T 6394—2017)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可以采用截線(xiàn)法對(duì)合金晶粒大小進(jìn)行定量分析。

圖4 滲氮、滲氮激光、調(diào)質(zhì)態(tài)工藝晶粒腐蝕情況

在圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)中分別畫(huà)出三條直線(xiàn)，以測(cè)量在單位長(zhǎng)度內(nèi)的晶粒個(gè)數(shù)，并取平均值。晶粒度計(jì)算方法[4]如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

經(jīng)過(guò)激光淬火后的試樣晶粒變小，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可知，500 ℃16 h滲氮試樣和調(diào)質(zhì)態(tài)試樣的晶粒平均直徑分別是13.946×10-4mm和13.408×10-4mm，而激光改性試樣的晶粒直徑為8.721×10-4mm，晶粒變小，原因是在激光快速加熱和冷卻的過(guò)程中，達(dá)到相變點(diǎn)溫度，材料重結(jié)晶，晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，導(dǎo)致晶粒細(xì)化。細(xì)化的晶粒有助于提高材料耐腐蝕性，可以有效地改善材料的性能。

表1 不同工藝晶粒度等級(jí)

3.3 XRD測(cè)試

選取500 ℃經(jīng)8 h的滲氮試樣，進(jìn)行掃描速率為10 mm/s及20 mm/s的激光淬火，用XRD方法分析圖譜。XRD圖譜如圖5所示，使用Jade6.5軟件分析相含量，分析結(jié)果如表2所示。

由XRD圖譜可以看出，500 ℃ 8 h滲氮試樣經(jīng)過(guò)激光改性后，衍射峰寬化程度升高，表明了晶格畸變變小，晶格內(nèi)氮原子變少，氮原子進(jìn)一步向心部擴(kuò)散，使?jié)B層增厚。另外，有研究報(bào)導(dǎo)，F(xiàn)e3O4具有防銹功能，F(xiàn)e3O4的增加也是復(fù)合改性后改性層耐腐蝕性能提高的一個(gè)因素。

3.4 摩擦磨損性能測(cè)試

圖6為滲氮和激光復(fù)合改性后摩擦系數(shù)變化曲線(xiàn)。由圖6中可以發(fā)現(xiàn)較調(diào)質(zhì)態(tài)和滲氮試樣，經(jīng)滲氮激光復(fù)合處理后試樣的摩擦系數(shù)顯著降低。由于摩擦系數(shù)越小，在相同載荷的作用下產(chǎn)生的摩擦力就越小，有利于提高材料的耐磨性。因此，可以推斷滲氮激光復(fù)合處理后試樣的耐磨性得到了提高。

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)材料的耐磨性，采用FA2204B型電子天平測(cè)量了磨損前后的試樣質(zhì)量，得到磨損失重，見(jiàn)表3所示。由表3可知，調(diào)質(zhì)態(tài)試樣磨損最嚴(yán)重，磨損量為0.0015 g，滲氮試樣平均磨損量為0.0007 g，滲氮激光復(fù)合改性試樣耐磨性最好，平均磨損量為0.0002 g。所以，復(fù)合改性工藝可提高鋼材的耐磨性。

表2 500 ℃ 8 h的試樣滲氮及復(fù)合改性的相含量分析

4 結(jié) 論

通過(guò)滲氮加激光淬火的復(fù)合改性試驗(yàn)，30CrMnSi鋼材在硬度、改性層厚度、耐腐蝕性能、耐摩擦性能方面得到了改善。主要得到以下幾個(gè)結(jié)論：

(1)30CrMnSi鋼滲氮激光復(fù)合改性后改性層厚度、組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律：與滲氮相比，改性層厚度增加、晶粒細(xì)化、衍射峰寬化程度升高。

(2)500 ℃16 h的滲氮試樣經(jīng)過(guò)掃描速率為15 mm/s的激光改性后硬度曲線(xiàn)最佳。證實(shí)了激光復(fù)合改性工藝可以使鋼材表面的氮元素進(jìn)行反擴(kuò)散。

(3)經(jīng)過(guò)復(fù)合改性的鋼材晶粒得到細(xì)化，耐腐蝕性提高。

(4)摩擦磨損結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)滲氮和激光復(fù)核處理的試樣的摩擦系數(shù)低于滲氮試樣，且磨掉的質(zhì)量小于滲氮試樣，更遠(yuǎn)小于調(diào)質(zhì)態(tài)試樣。試驗(yàn)結(jié)果符合水工中有壓輸水隧洞的進(jìn)出口段對(duì)鋼襯的性能要求，并且與傳統(tǒng)工藝相比，優(yōu)勢(shì)明顯。