周富佳， 劉小華

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

鉆機(jī)可用于施工瓦斯抽放孔、防突卸壓孔、地質(zhì)勘探孔及其他工程用孔[1]。鉆機(jī)設(shè)計(jì)多采用全液壓滑臺(tái)動(dòng)力推進(jìn)機(jī)構(gòu)，動(dòng)力裝置依靠滑塊組件在支承導(dǎo)軌上做定向移動(dòng)。由于巷道特殊的工作環(huán)境，鉆機(jī)在施工過(guò)程中始終處于高煤巖和高頻振動(dòng)的工況，因此鉆機(jī)導(dǎo)軌表面易受到外界異物的切削作用而發(fā)生磨損現(xiàn)象[2-3]。動(dòng)力裝置在快速前進(jìn)、后退過(guò)程中，導(dǎo)軌表面也易因摩擦產(chǎn)生的局部高溫發(fā)生粘著磨損或膠合磨損。

為增強(qiáng)鉆機(jī)導(dǎo)軌表面性能，提升使用壽命，鉆機(jī)導(dǎo)軌通常會(huì)進(jìn)行熱化學(xué)處理以提升表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性。單一化學(xué)熱處理工藝對(duì)材料性能提升有限，復(fù)合強(qiáng)化表面化學(xué)熱處理工藝能實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同增強(qiáng)的作用。離子滲氮工藝具有滲氮速度快、滲層成分易于控制、滲層硬度大和滲層較厚等特點(diǎn)，被廣泛用于鑄鐵、碳鋼、合金鋼和不銹鋼等材料的化學(xué)熱處理[4]。噴丸強(qiáng)化工藝是通過(guò)噴射高密度、高能量彈丸撞擊金屬零件表面，使其發(fā)生循環(huán)彈性、塑性變形，因而晶粒得到細(xì)化，晶界面積增加，位錯(cuò)密度增大。這些微觀(guān)形變有利于阻止疲勞裂紋的延伸，從而提升零件的疲勞強(qiáng)度[5-6]。根據(jù)理論分析，離子滲氮和噴丸強(qiáng)化對(duì)鉆機(jī)導(dǎo)軌性能提升都有積極作用。鉆機(jī)導(dǎo)軌常采用合金鋼制造，本文以鉆機(jī)導(dǎo)軌常采用的40Cr合金鋼為試驗(yàn)材料，通過(guò)工藝試驗(yàn)和檢測(cè)分析，探究噴丸強(qiáng)化和離子多元循環(huán)共滲復(fù)合工藝對(duì)鉆機(jī)導(dǎo)軌性能提升的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料及方法

為保證零件的尺寸精度和良好力學(xué)性能，零件在滲氮前進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，并且調(diào)質(zhì)工藝的回火溫度大于滲氮溫度。相關(guān)資料表明[7-8]，40Cr鋼調(diào)質(zhì)工藝為850 ℃×1 h油淬，570 ℃×2 h回火。經(jīng)檢測(cè)，40Cr鋼調(diào)質(zhì)后的表面平均硬度為280 HV。40Cr鋼試樣調(diào)質(zhì)處理后放入噴丸機(jī)進(jìn)行噴丸處理[9]，彈丸選擇鑄鋼丸S110，強(qiáng)度0.2 A，表面覆蓋率100%。試樣噴丸處理后放入滲氮爐進(jìn)行離子多元循環(huán)滲氮，氨氣流量2.0 L/min，乙醇和二硫化碳(4∶1)的混合氣體0.2 L/min，采用兩段循環(huán)共滲，試樣在500 ℃保溫2.5 h后再降至470 ℃保溫0.5 h，以此為一個(gè)周期(3 h)，工藝曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。為對(duì)比分析復(fù)合工藝對(duì)40Cr鋼組織與性能的影響，采用控制變量法再做兩組參照試驗(yàn)，參照組的材料、調(diào)質(zhì)工藝和噴丸強(qiáng)化與離子多元循環(huán)共滲復(fù)合工藝試驗(yàn)組相同，參照組試樣不做噴丸強(qiáng)化處理，分別采用離子多元循環(huán)共滲工藝和離子多元恒溫共滲工藝。離子多元循環(huán)共滲工藝曲線(xiàn)與圖1相同，離子多元恒溫共滲工藝試樣在500 ℃連續(xù)保溫6 h。

圖1 離子多元循環(huán)共滲工藝曲線(xiàn)Fig.1 Process curve of the plasma multi-elements cycle penetrating

試樣表面硬度和滲層深度通過(guò)HX-1000TM/LCD型顯微硬度計(jì)測(cè)定，載荷砝碼為200 g，穩(wěn)壓保載時(shí)間設(shè)置15 s。試樣多元共滲完成后進(jìn)行剖面切割，距離滲層表面15 μm處為第一個(gè)硬度檢測(cè)點(diǎn)，再向試樣基體方向間隔50 μm，檢測(cè)直至硬度示數(shù)大于基體硬度50 HV以?xún)?nèi)，所測(cè)縱向深度即為滲層深度。試樣顯微組織采用XJZ-6型光學(xué)顯微鏡觀(guān)察，微觀(guān)形貌采用日立S-3700N型掃描電鏡觀(guān)察，并通過(guò)附帶的EDS能譜分析功能對(duì)所選區(qū)域元素進(jìn)行定量分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面硬度與滲層深度

圖2是試樣的顯微硬度隨滲層深度變化曲線(xiàn)。離子多元共滲時(shí)，共滲元素從試樣表面逐漸往基體滲入并與試樣中的化學(xué)元素發(fā)生反應(yīng)生成新的高硬度化合物，但共滲元素的濃度隨滲層深度的增加逐漸降低，因此硬度也隨滲層深度的增加逐漸降低。鉆機(jī)導(dǎo)軌理想的共滲效果是表面硬度大、滲層深，且滲層硬度變化梯度平緩。表面硬度大，導(dǎo)軌不易磨損變形；滲層深，導(dǎo)軌的耐磨性好，抗腐蝕能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)；滲層硬度梯度變化平緩，導(dǎo)軌的疲勞強(qiáng)度高，不易因產(chǎn)生裂紋而發(fā)生脆性斷裂。噴丸強(qiáng)化+離子多元循環(huán)共滲復(fù)合工藝試樣的表面硬度為912 HV0.2，滲層深度為315 μm；離子多元循環(huán)共滲工藝試樣的表面硬度為837 HV0.2，滲層深度為265 μm；離子多元恒溫共滲工藝試樣的表面硬度733 HV0.2，滲層深度為215 μm。3組試樣中，噴丸強(qiáng)化+離子多元循環(huán)共滲復(fù)合工藝試樣的表面硬度最大且滲層最深，硬度梯度變化平緩；離子多元循環(huán)共滲工藝試樣表面硬度和滲層深度次之；離子多元恒溫共滲工藝試樣表面硬度和滲層深度最小。圖2滲層硬度變化曲線(xiàn)表明，噴丸強(qiáng)化+離子多元循環(huán)共滲復(fù)合工藝能促進(jìn)共滲元素滲入試樣基體形成高硬度化合物，作用效果優(yōu)于單一共滲工藝。

圖2 不同工藝滲層的硬度變化曲線(xiàn)Fig.2 Hardness variation curves of the infiltrated layers with different processes

2.2 顯微組織

圖3是通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀(guān)察到的試樣顯微組織。由圖3可知，離子碳氮氧硫多元共滲工藝試樣的顯微組織與離子滲氮工藝相似，試樣剖面從表至里依次為白色的化合物層、黑色的擴(kuò)散層和淺色的基體，化合物層的厚度加上擴(kuò)散層的厚度即為滲層厚度[10]?；衔飳酉鄬?duì)較薄，主要由高硬度的ε相(Fe2-3N)組成，擴(kuò)散層主要由γ′相(Fe4N)和α相(含氮鐵素體)組成，ε相氮含量較高，γ′相次之，α相最低。結(jié)合試樣滲層硬度變化曲線(xiàn)和顯微組織分析可知，滲層硬度與氮含量呈正相關(guān)，氮含量越高硬度越大。試樣經(jīng)過(guò)噴丸處理后，表層發(fā)生劇烈彈、塑性變形，晶粒變得細(xì)化，晶格發(fā)生畸變，位錯(cuò)產(chǎn)生滑移，晶界密度增加，為滲氮爐內(nèi)氣氛中的元素滲入試樣基體提供快速通道。對(duì)比分析離子多元循環(huán)共滲工藝試樣和離子多元恒溫共滲工藝試樣的顯微組織還可知，降溫周期循環(huán)工藝對(duì)離子多元共滲也能產(chǎn)生積極作用。

圖3 不同工藝滲層試樣的顯微組織(a)噴丸強(qiáng)化+離子多元循環(huán)共滲；(b)離子多元循環(huán)共滲；(c)離子多元恒溫共滲Fig.3 Metallographic microstructure of the infiltrated layer specimen with different processes(a) shot peening+plasma multi-elements cycle penetrating; (b) plasma multi-elements cycle penetrating; (c) plasma multi-elements constant temperature penetrating

2.3 滲層SEM形貌

通過(guò)掃描電鏡對(duì)試樣化合物層及擴(kuò)散層的微觀(guān)組織形貌進(jìn)行更細(xì)致地觀(guān)察。根據(jù)試樣滲層SEM形貌(見(jiàn)圖4)可知，噴丸強(qiáng)化+離子多元循環(huán)共滲復(fù)合工藝試樣表面有較厚的化合物層ε相，化合物層和擴(kuò)散層存在明顯分界線(xiàn)，這與其顯微組織相似；離子多元循環(huán)共滲工藝試樣的化合物層較薄，擴(kuò)散層存在明顯長(zhǎng)針狀無(wú)規(guī)則氮化物和顆粒狀氮化物；離子多元恒溫共滲工藝試樣滲層主要是顆粒狀氮化物。在滲氮過(guò)程中，氮原子首先滲入α-Fe中形成α相，濃度達(dá)到飽和之后通過(guò)晶格重構(gòu)的方式形成γ′相；氮原子繼續(xù)滲入，γ′相達(dá)到飽和濃度后又通過(guò)晶格重構(gòu)的方式形成ε相，試樣經(jīng)過(guò)離子滲氮后從表至里依次為ε相、γ′相和α相。3組試樣熱處理工藝不同，因此滲層組織形貌存在顯著差別。

圖4 不同工藝滲層試樣SEM形貌(a)噴丸強(qiáng)化+離子多元循環(huán)共滲；(b)離子多元循環(huán)共滲；(c)離子多元恒溫共滲Fig.4 SEM morphologies of the infiltrated layer specimen with different processes(a) shot peening+plasma multi-elements cycle penetrating; (b) plasma multi-elements cycle penetrating; (c) plasma multi-elements constant temperature penetrating

試樣在噴丸過(guò)程中，晶粒內(nèi)部高密度的位錯(cuò)墻和位錯(cuò)纏結(jié)在高能量狀態(tài)下會(huì)不斷吸收新的位錯(cuò)，逐漸演變成小角度亞晶界；當(dāng)小角度亞晶界繼續(xù)吸收新的位錯(cuò)會(huì)轉(zhuǎn)變成大角度亞晶界[11]。如此循環(huán)演變，晶面發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生擠壓、分割現(xiàn)象，晶粒尺寸不斷減小，取向差不斷增大，最終形成取向隨機(jī)分布的微晶組織。由于噴丸強(qiáng)化的作用效果由表至里依次遞減，晶粒破碎、細(xì)化等微觀(guān)組織變化主要發(fā)生在試樣表面，因此氮原子在表層擴(kuò)散速度較快，易產(chǎn)生氮原子富集現(xiàn)象。微觀(guān)組織細(xì)化、位錯(cuò)組態(tài)變化、晶界面積增加、點(diǎn)陣畸變等為氮化物的形核提供了有利條件，滲入的氮原子優(yōu)先在這些晶體缺陷處發(fā)生反應(yīng)。細(xì)小的氮化物可通過(guò)與位錯(cuò)的交互作用釘扎位錯(cuò)，在表層形成穩(wěn)定致密的組織結(jié)構(gòu)ε相。

2.4 滲層能譜分析

在試樣SEM形貌圖選取相似擴(kuò)散層區(qū)域進(jìn)行EDS能譜檢測(cè)，定量分析所選區(qū)域主要化學(xué)元素種類(lèi)及質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖5是試樣掃描區(qū)域能譜檢測(cè)結(jié)果，40Cr鋼本身含有Si、Cr兩種元素，且檢測(cè)結(jié)果數(shù)值在正常范圍內(nèi)，表明此次多元共滲工藝試驗(yàn)對(duì)兩種元素含量沒(méi)有影響。多元共滲劑中含有的乙醇和二硫化碳分解之后提供了額外C元素，反應(yīng)生成的鐵碳化合物有助于提高試樣表面硬度。40Cr鋼中不含N元素，表明試樣中的N元素是由共滲氣體NH3提供。擴(kuò)散層未檢測(cè)到的O、S元素在試樣表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的氧化物、硫化物能降低試樣表面摩擦因數(shù)，增加試樣的耐磨性能。從能譜檢測(cè)結(jié)果還可知，噴丸強(qiáng)化+離子多元循環(huán)共滲復(fù)合工藝試樣N元素含量最高，離子多元循環(huán)共滲工藝試樣N元素含量次之，離子多元恒溫共滲工藝試樣N元素含量最低。

圖5 滲層掃描區(qū)域能譜分析(a,d)噴丸強(qiáng)化+離子多元循環(huán)共滲；(b,e)離子多元循環(huán)共滲；(c,f)離子多元恒溫共滲Fig.5 Scanning area EDS analysis of the infiltrated layers(a,d) shot peening +plasma multi-elements cycle penetrating; (b,e) plasma multi-elements cycle penetrating; (c,f) plasma multi-elements constant temperature penetrating

試樣經(jīng)噴丸處理后，表層晶界密度增加，氮原子沿晶界擴(kuò)散所需的能量低于穿過(guò)晶粒內(nèi)部所需的能量，并且噴丸之后晶體內(nèi)部存在的非平衡畸變處于高能量狀態(tài)，為氮原子的擴(kuò)散和氮化物的形核提供額外能量。離子滲氮是爐體內(nèi)的氮元素從試樣表面向基體擴(kuò)散的平衡過(guò)程，滲氮層的物相成分與氮元素含量有關(guān)。爐內(nèi)氣氛中氮?jiǎng)葺^高時(shí)，易在零件表面形成致密的高氮?jiǎng)荭畔啵?dāng)大量ε相在表層堆積的時(shí)候，又會(huì)阻礙氮元素向基體擴(kuò)散；爐內(nèi)氣氛中氮?jiǎng)萁档蜁r(shí)，為保持新的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，滲氮層中高氮?jiǎng)莸摩畔鄷?huì)分解，向低氮?jiǎng)莸摩谩湎唷ⅵ料噢D(zhuǎn)變[12]。根據(jù)菲克第一定律(公式(1))，擴(kuò)散物質(zhì)流量與擴(kuò)散系數(shù)和濃度梯度呈正相關(guān)，增大擴(kuò)散系數(shù)和濃度梯度都能促進(jìn)氮元素的滲入。

(1)

噴丸強(qiáng)化通過(guò)增加擴(kuò)散通道，降低擴(kuò)散能量的方式增大擴(kuò)散系數(shù)；循環(huán)滲氮使試樣表面與擴(kuò)散層的濃度梯度呈周期性變化，為相界面反應(yīng)和內(nèi)擴(kuò)散提供內(nèi)驅(qū)力。因此，噴丸強(qiáng)化+離子多元循環(huán)共滲復(fù)合工藝能夠增加鉆機(jī)導(dǎo)軌表面硬度，提高滲層厚度，增強(qiáng)鉆機(jī)導(dǎo)軌表面性能。

3 結(jié)論

1) 40Cr鋼試樣經(jīng)過(guò)噴丸強(qiáng)化+離子多元循環(huán)共滲復(fù)合工藝處理后表面硬度為912 HV0.2，深層深度為315 μm；離子多元循環(huán)共滲工藝處理試樣的表面硬度為837 HV0.2，滲層深度為265 μm；離子多元恒溫共滲工藝處理試樣的表面硬度為773 HV0.2，滲層深度為215 μm。

2) 40Cr鋼試樣滲層硬度變化曲線(xiàn)、顯微組織、滲層SEM形貌和EDS能譜檢測(cè)結(jié)果表明，噴丸強(qiáng)化+離子多元循環(huán)共滲復(fù)合工藝優(yōu)于離子多元循環(huán)共滲工藝、離子多元恒溫共滲工藝。噴丸強(qiáng)化+離子多元循環(huán)共滲復(fù)合工藝能顯著提高鉆機(jī)導(dǎo)軌40Cr鋼的滲層深度、表面硬度，從而改善鉆機(jī)導(dǎo)軌表面性能。

3) 噴丸強(qiáng)化引起的微觀(guān)組織細(xì)化、位錯(cuò)組態(tài)變化、晶界面積增加和點(diǎn)陣畸變等能為氮原子的擴(kuò)散和氮化物的形核提供有利條件，氮原子在表層富集可形成穩(wěn)定致密的ε相。