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        55鋼的離子滲氮

        2019-12-03 03:00:30黃嘉豪
        上海金屬 2019年6期
        關(guān)鍵詞:深度

        黃嘉豪 史 文,2

        (1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444; 2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實驗室,上海 200444)

        55鋼是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,常用于強(qiáng)度和耐磨性要求較高、沖擊負(fù)荷不大的零件,如齒輪、曲軸等。碳素結(jié)構(gòu)鋼零件通常硬度較低且耐蝕性差,使用中易失效[1- 2]。對碳鋼件進(jìn)行表面處理,如激光淬火、碳氮共滲[3]、離子滲氮等,可明顯提高其表面性能。離子滲氮是21世紀(jì)的“綠色滲氮工藝”,具有節(jié)能環(huán)保、處理溫度范圍寬、工件畸變小、滲氮速度快等優(yōu)點(diǎn)[4- 5]。離子滲氮形成的化合物層可顯著提高鋼的表面硬度、耐磨性、耐蝕性以及抗疲勞性能[6- 8],離子滲氮溫度是影響滲層性能的重要因素。為揭示離子滲氮溫度對55鋼滲層的影響,本文對55號鋼進(jìn)行了不同溫度的離子滲氮,分析了滲氮層的微觀組織和性能。

        1 試驗材料及方法

        試驗用55鋼的化學(xué)成分如表1所示。試樣尺寸為10 mm×10 mm×3.5 mm,用干磨砂紙將滲氮面打磨光滑,滲氮前用酒精清洗。

        表1 試驗用55鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the investigated 55 steel (mass fraction) %

        離子滲氮設(shè)備是武漢熱處理研究所設(shè)計的LDMC- 75F型脈沖電源輝光離子滲氮爐,以氨氣為氮源,流量為600 ml/min,離子滲氮電壓為800~830 V。滲氮操作流程如下:試樣用酒精清洗后置于爐內(nèi),抽真空至30 Pa左右,然后升高壓并通100%氨氣;離子滲氮溫度分別為470、500、530和550 ℃,滲氮時間均為8 h,爐冷至室溫。

        試驗儀器:(1)Nikon LV150型倒立式光學(xué)顯微鏡,HITACHI SU- 1500鎢燈絲掃描電子顯微鏡;(2)MH- 3型顯微硬度計(在同一深度測量3點(diǎn)取平均值);(3)18KWD/MAX2500V+/PC型 X射線衍射儀。

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 滲層相組成

        55鋼為碳鋼,滲氮過程中無其他合金氮化物形成,其氮的擴(kuò)散方式與純鐵類似。隨著氮原子向鋼內(nèi)擴(kuò)散,在滲層中形成γ′(Fe4N)和ε(Fe3N)的反應(yīng)式為:

        (1)

        (2)

        反應(yīng)能否進(jìn)行,可以根據(jù)滲氮時爐內(nèi)氣氛的氮勢來判斷。根據(jù)NH3與Fe4N平衡的條件,可得不同溫度下形成γ′相的臨界氮勢值[9- 10]:

        (3)

        以及不同溫度下形成ε相的臨界氮勢值:

        (4)

        由上述反應(yīng)式可知,在鋼的滲氮過程中,當(dāng)滲氮爐內(nèi)的溫度和氮勢達(dá)到一定值時,可以形成γ′相和ε相。將試驗溫度代入式中計算可得在470 ℃時形成γ′相和ε相的氮勢值分別為0.29%N和3.16%N。因此在本文試驗條件下,470 ℃滲氮已經(jīng)有γ′相和ε相形成。同理計算其余3個溫度下的氮勢值,可以推斷出在4種離子滲氮溫度下都能形成γ′相和ε相。這也與XRD的結(jié)果(圖1)相吻合,在XRD圖譜中可以看到,滲層表面的主要組成相為γ′相和ε相,還檢測到少量的α- Fe。

        圖1 在不同溫度離子滲氮的55鋼滲層的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the case of the 55 steel ion- nitrided at different temperatures

        2.2 滲氮溫度對滲層深度的影響

        不同溫度離子滲氮的55鋼滲層的深度列于表2,滲層的顯微組織和SEM形貌如圖2所示。這些結(jié)果表明,滲氮后鋼的表面形成了化合物層,滲層深度隨著滲氮溫度的升高而增加。滲層深度隨離子滲氮溫度的變化如圖3所示。

        由于離子滲氮過程主要受氮原子擴(kuò)散速度控制[11], 因此滲層深度X與滲氮時間t呈拋物線關(guān)系:X2=Kt(K為常數(shù))。擴(kuò)散屬于熱激活的過程,因此滲層深度與離子滲氮溫度T和時間t滿足阿侖尼烏斯方程:

        表2 55鋼不同溫度離子滲氮后的滲層深度Table 2 Case depths of the 55 steel ion- nitrided at different temperatures

        圖2 在不同溫度離子滲氮的55鋼滲層的光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡形貌Fig.2 OM and SEM images of case of the 55 steel ion- nitrided at different temperatures

        X2=K0·e-Q/RT·t

        (5)

        式中:K0為頻率因子,Q為擴(kuò)散激活能,R為氣體常數(shù)。式(5)兩邊取對數(shù)得:

        圖3 55鋼滲層深度隨離子滲氮溫度的變化Fig.3 Dependence of the case depth on ion- nitriding temperature for 55 steel

        (6)

        根據(jù)離子滲氮溫與滲層深度之間的關(guān)系,作出lnX-1/T曲線并進(jìn)行擬合,得到圖4以及線性回歸方程:

        (7)

        圖4 55鋼滲層深度的對數(shù)與離子滲氮溫度倒數(shù)之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between the logarithm of case depth and the reciprocal of ion- nitriding temperature for 55 steel

        在滲氮時間一定的情況下,結(jié)合式(6)和式(7)可以計算出Q=78.4 kJ/mol,K0=9.7×105。將兩者代入式(5)可得55鋼滲層深度與離子滲氮溫度之間的關(guān)系為:

        X2=9.7×105·e-78 400/RT·t

        (8)

        當(dāng)滲氮時間確定時,由式(8)可知,55鋼滲層的深度會隨著離子滲氮溫度的升高而增加。

        2.3 滲氮溫度對滲層硬度的影響

        表3為55鋼不同溫度離子滲氮后的表面硬度,圖5為滲層的硬度梯度。在470~530 ℃溫度范圍,滲層的表面硬度隨著離子滲氮溫度的升高而提高。滲層硬度主要取決于滲層中形成的ε相(Fe3N)和γ′相(Fe4N)。Fe3N的硬度為11.2 GPa,F(xiàn)e4N的硬度為8.6 GPa[12]。換算成維氏硬度:Fe3N為1 142 HV,F(xiàn)e4N 為876.96 HV。XRD圖譜表明滲層中大部分為Fe4N。通過XRD定量分析[13- 15]可以計算出3種相的含量,見表4和圖6。

        表3 55鋼不同溫度離子滲氮后的表面硬度Table 3 Surface hardness of the 55 steel ion- nitrided at different temperatures

        表4 不同溫度離子滲氮的55鋼滲層中γ′、ε, α- Fe相的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 4 Contents of γ′, ε, and α- Fe phases in case of the 55 steel ion- nitrided at different temperatures (mass faction) %

        圖5 不同溫度離子滲氮的55鋼滲層的硬度梯度Fig.5 Hardness gradient in case of the 55 steel ion- nitrided at different temperatures

        滲層的XRD圖譜和顯微組織表明,470 ℃離子滲氮的55鋼滲層中α- Fe峰的強(qiáng)度較高。其主要原因是,滲氮溫度低時,滲層淺且不均勻, XRD掃描能達(dá)到滲層下的α- Fe,衍射峰不能完全代表滲層相的衍射峰分布,因此計算得到的470 ℃離子滲氮的滲層相含量與實際含量有較大差異。在500 ℃形成的滲層較深,隨著滲氮溫度的升高,滲層的硬度逐漸升高,根據(jù)式(4),隨著離子滲氮溫度的升高,達(dá)到形成ε相的臨界氮勢的時間也越短(530 ℃下形成ε相的臨界氮勢為1.6%N),因此ε相的含量增多。ε相的硬度高于γ′相,隨著離子滲氮溫度的升高,ε相的含量增多,表面硬度相應(yīng)提高。

        圖6 55鋼滲層中γ′、ε、α- Fe相的含量隨著離子滲氮溫度的變化Fig.6 Contents of γ′, ε, and α- Fe phases in case of the 55 steel as a function of ion- nitriding temperature

        當(dāng)離子滲氮溫度升高到550 ℃時,滲層的表面硬度明顯下降。其原因是,隨著滲氮溫度的升高,吸附在試樣表面的活性氮原子擴(kuò)散加快,氮化物粗化,并產(chǎn)生表面疏松。從SEM圖可以看到,在550 ℃滲氮的滲層表面不致密,有明顯的疏松(圖7),導(dǎo)致滲層的硬度下降。

        圖7 550 ℃離子滲氮的55鋼疏松的滲層Fig.7 Loose case of the 55 steel ion- nitrided at 550 ℃

        3 結(jié)論

        (1)55鋼在470~550 ℃離子滲氮后,滲層組織主要為γ′相、ε相和少量的α- Fe相。

        (2)55鋼滲層深度與離子滲氮溫度之間的關(guān)系可以用公式X2=9.7×105·e-78 400/RT·t表達(dá),滲氮時間一定,滲層深度隨著離子滲氮溫度的升高而增加。

        (3)55鋼在470~530 ℃離子滲氮,隨著溫度的升高,滲層中ε相的含量逐漸增多,γ′相和α- Fe相的含量減少,滲層表面硬度上升。當(dāng)離子滲氮溫度達(dá)到550 ℃時,滲層表面出現(xiàn)疏松,導(dǎo)致硬度降低。

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