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        低溫復(fù)合滲鉻對(duì)鋼鐵材料硬度的影響

        2023-12-25 10:19:42劉曉朱洪雷
        金屬加工(熱加工) 2023年12期
        關(guān)鍵詞:滲氮合金鋼耐磨性

        劉曉,朱洪雷

        廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 廣東廣州 510075

        1 序言

        隨著現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展,材料表面技術(shù)在滿足機(jī)械零件對(duì)材料使用性能要求、保證機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性等方面日益凸顯出其重要地位和作用[1]。材料表面技術(shù)是通過(guò)改變基體材料表面的化學(xué)成分,或者采用某些工藝改變基體表面的組織結(jié)構(gòu)并獲得高的硬度、疲勞強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性,以及抗高溫氧化性與絕緣、導(dǎo)電、抗輻射等基體材料本身所不具備的特殊的物理或化學(xué)性能[2],以滿足零件使用性能要求的工程技術(shù)。對(duì)金屬材料而言,其使用性能的要求主要以力學(xué)性能為主,而對(duì)于機(jī)械零件和工具,表面技術(shù)主要集中在表面改性強(qiáng)化方面,以提高金屬材料的表面硬度、耐磨性、耐蝕性及抗高溫氧化性等。

        鋼基零件表面滲金屬是一種應(yīng)用較早且富有應(yīng)用前景的表面處理技術(shù)。滲入的金屬原子或固溶到基體中或與基體中元素形成化合物,因此界面結(jié)合牢固,滲層不易從基體脫落[3,4],這是其他一些表面處理方法難以媲美的。為獲得更高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和抗疲勞性,用滲鉻工藝對(duì)普通鋼進(jìn)行滲鉻來(lái)代替昂貴的不銹鋼等措施,仍是目前研究的主要目的。

        在滲鉻過(guò)程中,科學(xué)工作者發(fā)現(xiàn)進(jìn)行合理的預(yù)處理能提高滲鉻速度,即鉻與其他元素進(jìn)行復(fù)合滲能獲得綜合性能更好的共滲層。倪宏昕[5]與林祥豐[6]等在鋼滲鉻之前進(jìn)行碳氮共滲,發(fā)現(xiàn)預(yù)處理可提高滲鉻速度和滲層的厚度。馮淦等[7]在鋼滲鉻之前利用超聲波噴丸使鋼的表面納米化,發(fā)現(xiàn)該工藝與普通滲鉻溫度相比可降低50℃左右,且獲得的滲鉻層也比普通滲鉻層的力學(xué)性能有所提高。

        基于以上研究成果,本文通過(guò)對(duì)20鋼、T10鋼及H13鋼進(jìn)行低溫復(fù)合滲鉻,以探究低溫復(fù)合滲鉻對(duì)鋼基材料硬度及耐磨性的影響。

        2 試驗(yàn)設(shè)備與條件

        本試驗(yàn)的工藝過(guò)程所用試驗(yàn)設(shè)備有:罩式離子滲氮爐和4kW井式爐,其中4kW井式鹽浴爐用于滲鉻,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)中的溫度測(cè)量分兩部分:鹽浴溫度采用K型熱電偶及XMT-101數(shù)顯溫度計(jì)組成測(cè)溫系統(tǒng)直接測(cè)量,爐膛溫度則用另一個(gè)相同的測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè),并通過(guò)溫控器和調(diào)壓器控制爐膛溫度來(lái)控制鹽浴溫度,鹽浴溫度誤差為±5℃。

        圖1 鹽浴滲鉻4kW井式爐結(jié)構(gòu)示意

        2.1 硬度檢測(cè)

        滲層的硬度用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)表面硬度時(shí),表面需經(jīng)拋光布拋光,檢測(cè)橫截面硬度分布時(shí),試樣按照橫截面金相試樣要求制作,但不經(jīng)腐蝕或經(jīng)輕微腐蝕。

        2.2 耐磨性測(cè)試

        耐磨性試驗(yàn)在MM200磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試樣切割為10mm×10mm×10mm的立方體,分別進(jìn)行淬火+回火、離子滲氮、離子滲氮后鹽浴滲鉻的熱處理工藝,對(duì)比不同熱處理工藝對(duì)材料耐磨性的影響。滲鉻裝夾方式如圖2所示,標(biāo)準(zhǔn)試樣采用材料為G C r15鋼加工成直徑為40m m的圓環(huán)。試驗(yàn)選用147N的正壓力,無(wú)潤(rùn)滑、高速磨損,轉(zhuǎn)速400r/min。試樣要求磨損面尺寸相同且表面粗糙度相同;每間隔相同的時(shí)間量取磨痕的尺寸,按統(tǒng)計(jì)法得出試樣的磨損曲線,并計(jì)算比磨損率,然后進(jìn)行相對(duì)耐磨性對(duì)比。

        圖2 耐磨性試驗(yàn)試樣裝夾示意

        低溫復(fù)合滲鉻工藝:在610℃時(shí)保溫6h能夠獲得較為理想的滲鉻層[8],故在此工藝下進(jìn)行低溫復(fù)合滲鉻層的硬度及其耐磨性研究,為低溫復(fù)合滲鉻工藝在生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

        3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        3.1 低溫復(fù)合滲鉻層硬度檢測(cè)

        不同材料低溫復(fù)合滲鉻表面顯微硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可看出,試樣在低溫復(fù)合滲鉻后能夠獲得高于單獨(dú)離子滲氮的硬度。這是由于低溫復(fù)合滲鉻后試樣表面生成了高硬度鉻的氮化物。且試樣經(jīng)過(guò)預(yù)先滲氮后,過(guò)渡區(qū)內(nèi)同時(shí)存在氮和鉻的濃度梯度,因此高溫下氮原子向心部方向擴(kuò)散的瞬間也會(huì)將與其鄰接的鐵原子推擠至高能不穩(wěn)定狀態(tài),從而促進(jìn)鉻原子置換高能態(tài)的鐵原子,使鉻原子向心部方向進(jìn)行置換擴(kuò)散。

        表1 不同基材低溫復(fù)合滲鉻表面顯微硬(HV0.05)

        試驗(yàn)采用試樣表面各檢測(cè)15個(gè)不同的點(diǎn),取其平均值作為表面顯微硬度值。對(duì)某些試樣,低溫復(fù)合滲鉻后的表面硬度出現(xiàn)很大的波動(dòng),如T10鋼試樣,最高可達(dá)1362HV0.05,最低只有362HV0.05,這主要是因?yàn)閺?fù)合化合物層較薄,而基體較軟,因此在HV0.05的載荷下因壓痕崩塌所致。

        圖3所示為20鋼與H13合金鋼在低溫復(fù)合滲鉻層的橫截面顯微硬度的分布對(duì)比。從圖3可看出,碳素鋼和合金鋼的低溫復(fù)合滲鉻化合物層都能獲得1500HV以上的硬度,擴(kuò)散層中20鋼的顯微硬度下降得很快,擴(kuò)散層顯微硬度略高于基體,而H13合金鋼的橫截面顯微硬度則呈現(xiàn)從化合物層到擴(kuò)散層再到基體較為緩慢下降的趨勢(shì)。這是由于碳素鋼復(fù)合滲鉻后較單純滲氮后的擴(kuò)散層深度減小、而合金鋼的深度增加的緣故,因?yàn)樘妓劁摬缓辖鹪?,其滲氮層中形成的氮化物只有鐵的氮化物,而合金鋼的滲氮層能形成非常細(xì)小的合金氮化物[9,10]。

        圖3 20鋼與合金鋼低溫復(fù)合滲鉻層的橫截面顯微硬度分布對(duì)比

        3.2 低溫復(fù)合滲鉻層耐磨性對(duì)比試驗(yàn)

        磨損測(cè)量方法用測(cè)長(zhǎng)法,本試驗(yàn)用萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)量磨痕的寬度,并根據(jù)公式計(jì)算出比磨損量,比較其耐磨性能。

        比磨損率計(jì)算公式為

        式中ω——比磨損率;

        △V——磨損體積(mm3);

        W——法向載荷(N),取147N;

        L——相對(duì)滑動(dòng)距離(mm)。

        圖4所示為3種不同工藝試樣獲得的不同磨損時(shí)間測(cè)量的磨痕寬度。從圖4可看出,離子滲氮和低溫復(fù)合滲鉻可以顯著提高T10鋼的耐磨性,這是由于離子滲氮和低溫復(fù)合滲鉻都獲得了耐磨性能良好的化合物層;離子滲氮后鹽浴滲鉻能夠獲得優(yōu)于離子滲氮試樣的耐磨性,證明鉻氮化合物層比單一滲氮層能獲得更好的耐磨性,也證明了鉻氮合金化合物的硬度比單一滲氮層的硬度高。

        圖4 T10鋼3種不同工藝試樣耐磨性對(duì)比

        3種試樣磨損15min后的比磨損率見(jiàn)表2。從表2數(shù)據(jù)可以更加準(zhǔn)確地對(duì)比3種不同工藝試樣的相對(duì)耐磨性,離子滲氮能夠獲得比淬火+回火試樣高約6倍的耐磨性,低溫復(fù)合滲鉻能夠獲得比淬火+回火試樣高約13倍的耐磨性。

        表2 磨損15min后3組試樣比磨損率對(duì)比

        4 結(jié)束語(yǔ)

        1)試樣在低溫復(fù)合滲鉻后能夠獲得高于單一離子滲氮的硬度,說(shuō)明復(fù)合滲鉻后表面生成了硬度高的鉻氮合金化合物。

        2)碳素鋼及合金鋼進(jìn)行低溫復(fù)合滲鉻后均可獲得硬度較高的鉻化合物層,擴(kuò)散層區(qū)間的顯微硬度下降,且合金鋼比碳素鋼下降得緩慢,這是由于碳素鋼復(fù)合滲鉻后比單純滲氮后的擴(kuò)散層深度減小、而合金鋼的擴(kuò)散層深度增加的緣故。

        3)T10鋼進(jìn)行單一滲氮或低溫復(fù)合滲鉻后,試樣的磨痕寬度大幅度減小,低溫復(fù)合滲鉻的耐磨性約為常規(guī)熱處理的13倍。

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