崔入威，林鈺，高進，趙竹花，楊通，侯超前

中航力源液壓有限公司 貴州貴陽 550018

1 序言

38CrMoAl鋼是一種中碳合金滲氮鋼，具有優(yōu)良的滲氮性能，且滲氮層耐磨、耐蝕、疲勞強度高，以及綜合力學性能優(yōu)良等特點，該鋼材在國防、航空航天及民用領域應用廣泛，常被用來制備分油盤、柱塞、閥門、齒輪、鏜桿及主軸等零部件。為獲得理想的滲氮零部件綜合性能，國內外諸多學者均進行了很多研究。劉豪等[1]研究了溫度及時間對38CrMoAl鋼奧氏體晶粒長大行為的影響并建立Sellars模型來驗證其準確性。楊小軍等[2]測定了38CrMoAl鋼的連續(xù)冷卻相變曲線，得出不同相變溫度和冷卻速度范圍下的顯微組織。王晨晨等[3]對比了介穩(wěn)態(tài)熱處理與調質處理對38CrMoAl鋼滲氮后組織與硬度的影響。古璟等[4]對比了不同表面粗糙度對25Cr3MoA鋼滲氮層深度和組織的影響。

有關38CrMoAl鋼制零部件調質及滲氮組織、性能及其改善至今有大量的研究和著述，表面粗糙度對其滲氮層組織及性能的研究甚少。表面粗糙度對滲氮層組織及其性能的影響明顯且其相關研究在工程推廣應用上具有一定參考意義。為了研究表面粗糙度對滲氮層組織及性能的影響，對比研究了不同表面粗糙度試樣滲氮層組織及性能。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

選用材料為38CrMoAl鋼制試樣（φ30mm×5mm），材料化學成分見表1。

表1 試驗鋼的化學成分（質量分數(shù)） （%）

2.2 試驗設備

試驗設備采用WZCⅡ-65真空淬火爐、VKA-120回火爐、TIME3234型表面粗糙度儀、RN-60-7滲氮爐、FM7600顯微硬度計和GX71F光學顯微鏡。

2.3 試驗方法及參數(shù)

試樣經(jīng)930℃保溫40min油冷+570～600℃保溫60min水冷調質處理后，采用機械加工或干式風動吹砂制備5個級別表面粗糙度滲氮試樣，試樣表面粗糙度均值為0.38μm、0.62μm、0.90μm、1.46μm及3.24μm，試樣檢測表面粗糙度后經(jīng)520℃+28h+分解率25%～40%滲氮后，通氨氣冷至120℃后出爐。最后試樣采用GX71F光學顯微鏡觀察顯微組織，采用FM7600顯微硬度計按硬度梯度法測定滲氮層深度。

3 結果及分析

3.1 金相組織

滲氮試樣經(jīng)磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液擦拭3～4s，隨后用蒸餾水沖洗試樣表面，最后用酒精沖洗并烘干。金相試樣制備完成后，在顯微鏡下放大100倍測量滲氮層深度并觀察金相組織。不同表面粗糙度試樣滲氮后金相組織如圖1所示。組織由外表面向基體依次為白層ε相、擴散層γ＇相、α＇ 相（即含氮馬氏體相），以及基體組成[5]。全部試樣組織按照HB 5022—1994《航空鋼制件滲氮、氮碳共滲金相組織檢驗標準》評定，心部組織為2級“索氏體+少量鐵素體”，滲氮層組織為4級“滲氮索氏體+半連續(xù)細網(wǎng)狀氮化物”。

圖1 不同表面粗糙度試樣滲氮后金相組織

3.2 表面硬度及脆性級別

不同表面粗糙度試樣滲氮后表面硬度如圖2所示。由圖2可見，隨著表面粗糙度均值增大滲氮層表面硬度略有降低，但不顯著。不同表面粗糙度試樣滲氮后表面脆性級別如圖3所示。由圖3可見，隨著表面粗糙度均值增大，滲層表面脆性級別呈降低趨勢。這說明38CrMoAl鋼滲氮層表面硬度及滲氮層表面脆性與表面粗糙度相關。

圖2 表面硬度

圖3 表面脆性級別

3.3 硬度梯度及滲層深度

不同表面粗糙度試樣滲氮層硬度梯度如圖4所示。由圖4可見，表面粗糙度均值較大時，滲氮層硬度梯度相對平緩，隨著滲氮層深度增加，硬度不斷減小并趨于基體硬度值。

圖4 滲碳層硬度梯度曲線

不同表面粗糙度試樣滲氮后滲層深度如圖5所示。由圖5可見，隨著表面粗糙度均值增大，滲氮層的白層和擴散層也對應增厚。這說明滲氮層硬度梯度、滲氮層深度與表面粗糙度相關，硬度梯度隨表面粗糙度均值增大而趨于平緩，滲氮層深度隨表面粗糙度均值增大而加厚，且當表面粗糙度均值達到1.46μm后，滲氮層增厚速率減小且最后趨于穩(wěn)定，當表面粗糙度均值達到3.24μm時，滲氮層白層和擴散層達到最大，分別達到24μm和360.8μm。

圖5 滲層深度曲線

表面粗糙度對白層和滲氮層深度的影響值得關注，在相同滲氮條件下，表面粗糙度越低，所需滲氮時間越長[6]，一定范圍內表面粗糙度較大時，具有更高的滲氮效率。一方面，適當粗糙的表面有利于氨中分解出活性氮原子[N]的吸附；另一方面，粗糙的表面增大了活性氮原子[N]與試樣表面的接觸面積，使單位時間能夠吸附更多的活性氮原子[N]參與界面反應[7]。表面粗糙度較大的表面在滲氮吸收階段具有較高的吸收能力，而較高的吸氮能力有利于獲得較深的滲氮層。

4 結束語

1）表面粗糙度均值增大時，滲氮層的白層和擴散層也有對應增大的趨勢。當表面粗糙度均值增大到Ra1.46μm后，滲氮效率趨于穩(wěn)定；當表面粗糙度均值達到Ra3.24μm時，滲氮層白層和擴散層達到最大，分別達到24μm和360.8μm。

2）表面粗糙度均值增大時，滲氮層表面硬度略有降低，但不顯著。表面脆性級別隨表面粗糙度均值增大由3級降至2級。

3）滲層硬度梯度隨表面粗糙度均值增大而趨于平緩，而平緩的硬度梯度有利于改善滲層的應力分布。