滕琦

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

0 前言

熱反應(yīng)擴(kuò)散沉積(TRD)被廣泛應(yīng)用于鋼材的滲鉻處理，其中最常見的是固體粉末滲鉻法。由于固體粉末滲鉻需要采用“液閥”密封，操作繁瑣且處理質(zhì)量不穩(wěn)定,滲劑消耗量大，滲鉻速度較慢。采用真空粉末法和真空密封法雖能使密封效果更好，可降低滲劑消耗量，提高了滲鉻速度，但真空系統(tǒng)設(shè)備投資巨大，且存在真空泵污染問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)采用的旋轉(zhuǎn)管狀爐方式滲鉻法是對(duì)固體粉末滲鉻法的優(yōu)化和改進(jìn)，利用CrCl2氣體對(duì)鋼材進(jìn)行滲鉻。當(dāng)爐內(nèi)CrCl2氣體通過(guò)試樣表面時(shí)，受摩擦力的影響，會(huì)形成一層氣體流速為零的邊界層，再由邊界層中的氣相擴(kuò)散作用進(jìn)行滲鉻。該方法密封性良好，投入成本較低。這種滲鉻方法在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中報(bào)道較少，現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道都是以固體滲鉻和鹽浴滲鉻為主[1-3]。

本文以熱作模具中廣泛使用的SKD 61鋼作為基材，試驗(yàn)分析了滲鉻后與滲鉻調(diào)質(zhì)處理后試樣的滲層微觀組織和機(jī)械性能差異。

1 試驗(yàn)方法

將SKD 61鋼基材加工成長(zhǎng)10 mm、寬10 mm、高55 mm的帶V形缺口的試樣若干，應(yīng)用SiC水砂紙將試樣表面粗糙度研磨至13 μm，再放入丙酮溶液以超聲波振蕩10 min，去除鋼材表面油漬和氧化物后烘干。將處理好的試樣送至真空燒結(jié)爐加熱850 ℃，并保溫2 h作退火處理，退火完成后使用砂紙去除試樣表面氧化層，再放入超聲波振蕩機(jī)清洗5 min后烘干。試驗(yàn)采用的SKD 61鋼基材化學(xué)元素組分見表1。

表1 SKD 61鋼基材化學(xué)元素組分表

滲鉻處理在旋轉(zhuǎn)管狀爐中進(jìn)行。滲鉻金屬混合粉末包括鉻粉70 g、氧化鋁粉30 g、氯化銨3 g，將3種粉末充分混合均勻并烘干。將混合粉末與試樣放入坩鍋內(nèi)密封，設(shè)定溫度后啟動(dòng)滲鉻處理。處理完成后清洗并烘干試樣。

將試樣放入大氣爐中預(yù)熱400 ℃，保溫1 h，再使用鹽浴爐加熱至1 030 ℃，保溫40 min，完成后直接進(jìn)行油淬降溫至常溫，并將試樣清洗干凈, 然后再加熱至550 ℃進(jìn)行回火處理。

采用金剛石圓錐頭及載荷1 500 N，測(cè)試試樣的洛氏硬度，并觀察壓痕周圍滲層的受損情況，確定滲層附著力等級(jí)。

將待測(cè)試樣拋光后，采用微小維氏硬度計(jì)以載荷500 N施壓15 s，測(cè)試試樣的維氏硬度，觀察試樣表層到基材的微觀硬度分布。

應(yīng)用自制的線性往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試滲層的耐磨性。將試樣固定在基板上，采用240號(hào)SiC砂紙并施加10 N載荷，與試樣接觸，進(jìn)行干摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為1 h，然后分析試樣滲層的磨損量。

利用掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察滲層表面形貌，利用X射線衍射分析儀(XRD)判定試樣的金相構(gòu)成。

2 試驗(yàn)分析

2.1 滲層金相分析

SKD 61鋼滲鉻和滲鉻淬回火的金相組織如圖1所示。由圖1可知，兩者的滲層都較為均勻，膜厚無(wú)明顯變化。淬回火處理增加了基材硬度，并不會(huì)影響滲鉻層的物理特性。

圖1 SKD 61鋼滲鉻金相組織

2.2 滲層硬度與附著性分析

經(jīng)過(guò)滲鉻后，SKD 61鋼表層會(huì)產(chǎn)生鉻的碳化物，經(jīng)過(guò)特定條件的淬回火處理，基材洛氏硬度能從27.4 HRC上升至52.3 HRC。

采用壓痕試驗(yàn)測(cè)量附著力，當(dāng)滲層承受正向壓力時(shí)，如果基材無(wú)法支撐滲層承受的載荷，會(huì)導(dǎo)致滲層凹陷，從而發(fā)生滲層嚴(yán)重破裂的現(xiàn)象。除了壓痕處受到的正向壓力外，滲層周圍也受到來(lái)自壓痕中心呈放射狀向外的壓應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致滲層被破壞，甚至出現(xiàn)滲層大面積剝落的情況，如圖2所示。經(jīng)過(guò)淬回火處理后的試樣，在相同的測(cè)試條件下，使用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察滲層壓痕，發(fā)現(xiàn)滲層并沒(méi)有出現(xiàn)剝裂的現(xiàn)象。結(jié)果顯示，SKD 61鋼的滲鉻層具有良好的附著性，如圖3所示。如果在滲鉻前做完全退火處理，可使晶粒細(xì)微化，可提高滲層的附著性。

圖2 SKD 61鋼滲鉻處理后的附著表現(xiàn)

圖3 SKD 61鋼滲鉻淬回火后的附著表現(xiàn)

2.3 微硬度測(cè)量與耐磨性測(cè)試

采用維式硬度計(jì)分別測(cè)量SKD 61鋼滲鉻和滲鉻淬回火處理后碳化鉻層到基材的硬度分布。鋼材經(jīng)滲鉻與滲鉻淬回火，表層到基材的微觀硬度分布如圖4所示。由圖4可知，兩者滲鉻層硬度相差不大，滲鉻后淬回火滲層的硬度與基層的硬度過(guò)渡得更平穩(wěn)。

圖4 表層到基材的微觀硬度分布

進(jìn)行滲鉻處理的重要目的是為了提高工件的耐磨性，因此滲層耐磨性測(cè)定是滲鉻處理研究中重要的測(cè)試項(xiàng)目。SKD 61鋼滲鉻層的磨損見表2。在分別進(jìn)行滲鉻和滲鉻淬回火處理后的試樣，在10 min時(shí)，兩試樣的磨損量差別不大，表明試樣磨損量還在滲鉻碳化物層范圍內(nèi)；在20 min時(shí)，兩者的磨損量已有了明顯差別，表明此時(shí)滲鉻試樣已開始研磨到基材部分。滲層的附著性對(duì)耐磨性能具有較大影響，滲層的附著性好表明鉻元素已完全進(jìn)入基材，耐磨性較好。

表2 SKD 61鋼滲鉻層的磨損情況

2.4 SEM分析

將試樣橫向切割，用SEM觀察滲鉻處理后試樣橫截面化合物層的顯微組織。SKD 61鋼滲鉻與滲鉻淬回火后的滲鉻層內(nèi)線性掃瞄圖分別如圖5和圖6所示。在滲鉻過(guò)程中，滲鉻層組織以碳化鉻為主，甚至全部都是碳化鉻組織。這種碳化鉻組織的形成，不但要有足夠的鉻元素,而且需要基材含有充足的碳元素[4]。鐵元素在滲鉻層中的含量相對(duì)要低，這與鉻元素含量要求正好相反[5]。

圖5 滲鉻后的試樣元素分布

圖6 滲鉻淬回火后的試樣元素分布

2.5 X射線衍射分析

通過(guò)XRD分析可知，分別進(jìn)行滲鉻與滲鉻淬回火處理后，SKD 61鋼的滲鉻層皆為鉻的碳化物，如圖7和圖8所示。滲層區(qū)的碳化物主要為Cr23C6，中間層為Cr7C3和Cr3C2，下層為α固熔體[6-7]。鉻原子被基材吸收后立即與奧氏體中的碳元素組成了碳化物。滲鉻層物相主要以Cr3C2為主，除物相的強(qiáng)度不同外，其他特性并無(wú)差別。

圖7 SKD 61鋼經(jīng)滲鉻后的XRD分析

圖8 SKD 61鋼經(jīng)滲鉻淬回火后的XRD分析

3 結(jié)論

本文對(duì)SKD 61鋼熱滲鉻及淬回火進(jìn)行了組織性能分析，得出了以下結(jié)論。

(1)滲鉻淬回火對(duì)滲鉻層膜厚影響不大，試樣的附著性良好。試驗(yàn)表明，在滲鉻前增加完全退火工序，可使試樣晶粒微細(xì)化，可改善滲層的附著性問(wèn)題。

(2)經(jīng)過(guò)滲鉻處理或滲鉻淬回火處理，SKD 61鋼滲層區(qū)的碳化物主要為Cr23C6，中間層為Cr7C3和Cr3C2，下層為α固熔體。

(3)SKD 61鋼經(jīng)滲鉻后，滲鉻層的最高硬度可達(dá)到1 630 HV，淬回火后硬度可達(dá)1 653 HV。滲鉻淬回火可提高滲層硬度，且淬回火后滲層硬度和基體硬度的過(guò)渡更為平穩(wěn)，使?jié)B層具有更好的附著性，淬回火后的耐磨性也更好。