38CrMoAl 鋼鈦催滲等離子氮化工藝研究

鐘厲，王帥峰，門(mén)昕皓，韓西

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400074）

38CrMoAl 鋼多用于沖擊載荷小、疲勞強(qiáng)度及耐磨性高、尺寸精度高的零件，如車(chē)床主軸、壓縮機(jī)活塞桿、精密絲桿、高壓閥門(mén)等[1]。導(dǎo)致這些零部件失效的主要原因是磨損和疲勞裂紋的產(chǎn)生，因此對(duì)提升材料表面性能的要求變得更加嚴(yán)苛。離子滲氮技術(shù)作為提升材料表面性能的重要手段，得到了廣泛應(yīng)用[2]，但常規(guī)離子滲氮仍然存在滲氮效率低、滲層性能較差的問(wèn)題。為了進(jìn)一步提升滲氮效率和滲層性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多研究，許多新的滲氮工藝也不斷研究出來(lái)，如離子氮碳共滲、活性屏離子滲氮、復(fù)合離子滲氮強(qiáng)化、快速離子滲氮、離子多元共滲等。

Fattah 等[3]對(duì)AISI4140 奧氏體鋼進(jìn)行了滲氮和氮碳共滲的對(duì)比研究，得出碳原子的存在會(huì)促進(jìn)ε-Fe2-3N 相的生成，使共滲層的耐蝕性能高于滲氮層。但相比滲氮處理，氮碳共滲會(huì)在化合物層與奧氏體區(qū)的界面處形成富碳區(qū)，阻礙氮、碳原子的擴(kuò)滲，導(dǎo)致化合物層較薄。Hoshiyama Yasuhiro 等[4]對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行了活性屏等離子體氮化處理，并評(píng)估了處理后樣品的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)S 相的厚度隨著處理時(shí)間的增加而增加。結(jié)果表明，活性屏等離子滲氮提高了奧氏體不銹鋼的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。H. Aghajani 等[5]利用激光相變硬化-離子滲氮-滲硫復(fù)合改性工藝，在材料表面制備了一層由球狀顆粒相互疊嵌沉積而成的復(fù)合改性層，該改性層具有耐磨、耐蝕、自潤(rùn)滑等綜合性能，摩擦系數(shù)較基體有所降低，磨損質(zhì)量也大為降低。韓寶軍等[6-12]在離子滲氮過(guò)程中通過(guò)加入稀土發(fā)現(xiàn)，稀土可加速滲氮介質(zhì)的分解，且稀土進(jìn)入鋼件表面會(huì)引起周?chē)F原子點(diǎn)陣畸變，有利于氮原子的吸附和擴(kuò)散，具有明顯的催滲作用，且能提高滲層性能。鐘厲等[13-21]通過(guò)對(duì)離子多元共滲工藝的研究發(fā)現(xiàn)，其提高滲氮效率的同時(shí)改善了滲氮層的性能。

在離子多元共滲工藝的研究中，碳、氮、硼、鋁、硫、釩元素研究較多，但鈦元素共滲研究很少。鈦?zhàn)鳛橐环N強(qiáng)氮化元素，在等離子滲氮過(guò)程中，氮元素在擴(kuò)散之前可能優(yōu)先與鈦結(jié)合生成氮化物，并且氮化鈦具有高硬度和低摩擦系數(shù)的特性。因此，鈦元素參與材料共滲處理將會(huì)有助于提升其表面硬度和滲層深度。本文基于等離子滲氮工藝特點(diǎn)，通過(guò)有效控制滲氮溫度、氨氣流量等參數(shù)，研究了鈦在不同滲氮時(shí)間參數(shù)下，其等離子滲氮催滲效果的變化規(guī)律，分析了滲氮層的形成機(jī)理和滲層形貌特征，探討了鈦催滲等離子滲氮的綜合性能和滲氮效率最優(yōu)的工藝參數(shù)，為等離子快速滲氮新工藝提供理論和實(shí)際應(yīng)用參考。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

本次試驗(yàn)材料為38CrMoAl 鋼，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：C 0.35%～0.42%，Mn 0.30%～0.60%，Mo 0.15%～0.25%，Cr 1.35%～1.65%，Al 0.70%～1.10%，Si 0.20%～0.45%。將38CrMoAl 鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后，加工成尺寸為11 mm×11 mm×9 mm 的長(zhǎng)方體。

1.2 方案

本文用LDMC-50A 型脈沖等離子氮化爐進(jìn)行滲氮試驗(yàn)，結(jié)合氮化爐自身結(jié)構(gòu)，鈦的添加方式為，在陽(yáng)極盤(pán)外接一個(gè)立柱，并外掛鈦條，同時(shí)在陰極盤(pán)上放置海綿鈦。

首先進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，確定鈦參與的離子滲氮的處理效果，基于之前的研究[22]，并結(jié)合參考文獻(xiàn)[8,13]，滲氮時(shí)間定為8 h，進(jìn)行試驗(yàn)一：在保溫溫度535 ℃、氨氣流量2.0 L/min 的條件下進(jìn)行8 h 的常規(guī)離子滲氮（R）和鈦催滲離子滲氮（T）。

在確定滲氮效果后，對(duì)鈦參與的離子滲氮進(jìn)行進(jìn)一步研究，其他因素不變，通過(guò)改變保溫時(shí)間，確定鈦催滲快速離子滲氮最適合的保溫時(shí)間，即試驗(yàn)二：鈦催滲滲氮溫度為535 ℃，氨氣流量為2.0 L/min，保溫時(shí)間分別為1、3、5 h。選擇綜合效果最優(yōu)、效率最高的鈦催滲等離子滲氮工藝的保溫時(shí)間，并進(jìn)行同樣保溫時(shí)間的常規(guī)離子滲氮，與其進(jìn)行對(duì)比。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 鈦催滲離子滲氮對(duì)比試驗(yàn)方案Tab.1 T he co mparison ex periment scheme of tita nium catalyzed plasma nitriding

1.3 檢測(cè)方法

在測(cè)試硬度前，用5#金相砂紙對(duì)被測(cè)表面進(jìn)行打磨、清潔，以便于通過(guò)目鏡清晰地觀察試樣表面的壓痕。用HX-1000TM/LCD 型顯微硬度計(jì)施加200 g載荷，保載15 s，測(cè)量其滲層深度及表面硬度。以檢測(cè)平均硬度值作為試樣的最終硬度值。

金相觀察時(shí)，試樣表面不能出現(xiàn)劃痕、污跡，需達(dá)到鏡面效果。進(jìn)行金相顯微組織觀察前，首先選用800#、1000#、1200#水磨砂紙進(jìn)行粗磨，使用10#、7#金相砂紙精磨試樣剖面，再經(jīng)P-2 型金相拋光機(jī)拋光—4%的硝酸乙醇溶液腐蝕—清水沖洗腐蝕面—無(wú)水乙醇溶液擦去腐蝕污跡。最后用XJZ-6 型金相顯微鏡對(duì)顯微金相組織進(jìn)行觀察與分析。

用日立S-3700N 型掃描電子顯微鏡進(jìn)行SEM 形貌觀察及滲層能譜分析，以確定滲層主要元素的含量。為了解元素以何種形式存在于滲氮層表面，采用Rigaku D/max-2500P C 型X 射線衍射儀進(jìn)行物相分析，試驗(yàn)管電壓為30 kV，管電流為20 mA，靶材選用銅靶。掃描方式為連續(xù)掃描，步長(zhǎng)為0.02，起始角度為10°，終止角度為90°。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 表面硬度與滲層深度

在對(duì)試樣經(jīng)預(yù)處理和切割后，按照所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)。從表面硬度和滲層深度可以初步判斷出離子滲氮效果。38CrMoAl 鋼6 組試樣的滲層硬度分布曲線、表面硬度和滲層深度對(duì)比及滲氮層厚度與保溫時(shí)間的關(guān)系曲線分別如圖1—3 所示。

從圖1 不難發(fā)現(xiàn)，6 組試樣的滲層硬度均是從表至里逐漸下降，最終下降到基體的硬度。如圖2 所示，2 組R 試樣中，R8 的表面硬度略大于R3，滲層深度增加明顯。4 組T 試樣中，當(dāng)滲氮時(shí)間從1 h 增加到3 h 時(shí)，表面硬度與滲層深度都有明顯提高；從3 h增加到5、8 h 時(shí)，表面硬度與滲層深度的增加明顯減緩。初步確定優(yōu)化時(shí)間為3 h。通過(guò)T8 和R8 試樣以及T3 和R3 試樣的對(duì)比可以明顯看出，經(jīng)鈦催滲滲氮的試樣，滲層深度和表面硬度都有明顯提高。同時(shí)，相比常規(guī)滲氮，鈦催滲滲氮的硬度梯度更平緩。通過(guò)對(duì)比還可以看出，3 h 鈦催滲滲氮的滲層深度基本接近常規(guī)滲氮8 h 的值，且表面硬度有明顯提升，說(shuō)明鈦催滲等離子滲氮是一種快速高效的滲氮方法。

圖1 38CrMoAl 鋼試樣不同工藝下滲層硬度分布曲線Fig.1 The hardness distribution curve of nitrided layers about 38CrMoAl steel samples under different processes

圖2 38CrMoAl 鋼試樣不同工藝下表面硬度和滲層深度對(duì)比Fig.2 The comparison of surface hardness and penetration depth of 38CrMoAl steel samples under different processes

從圖3 可以看出，在滲氮前3 h，滲氮層厚度增加明顯。當(dāng)超過(guò)3 h 后，其氮化層的厚度便趨于飽和。同時(shí)，對(duì)比不同時(shí)間鈦催滲滲氮的表面硬度來(lái)看，3、5、8 h 的表面硬度差距不大。因此，綜合選擇38CrMoAl 鋼鈦催滲等離子滲氮的保溫時(shí)間以3 h 為最優(yōu)。

圖3 38CrMoAl 鋼試樣滲氮層厚度與滲氮時(shí)間關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between penetration depth and nitriding time of 38CrMoAl steel samples

2.2 滲層顯微金相組織

38CrMoAl 鋼不同處理工藝的金相顯微組織如圖4 所示。通過(guò)觀察可以看出，試樣從表至里依次為白亮的化合物層、深色的擴(kuò)散層、淺色的基體。

圖4 38CrMoAl 鋼試樣經(jīng)不同工藝處理后的金相顯微組織Fig.4 The microstructure of 38CrMoAl steel samples under different treatment processes

對(duì)不同處理工藝進(jìn)行對(duì)比，首先對(duì)比T1、T3、T5、T8 試樣可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的化合物層、擴(kuò)散層的厚度均有所提升，且組織更加均勻，說(shuō)明增加保溫時(shí)間有助于氮離子的滲入，提高滲氮效果。化合物層主要由γ′相和ε相組成[23-24]。ε相硬度高，具有良好的耐磨性，且具有較高的電極電位，能夠提高零件的耐磨性和耐腐蝕性。γ′相的硬度低于ε相，但韌性較好。因此，相對(duì)與常規(guī)離子滲氮，鈦催滲等離子滲氮試樣的硬度下降平緩。隨著滲層深度的增加，催滲效果也開(kāi)始減弱，試樣滲層的硬度變化梯度隨之變得陡峭。

對(duì)比鈦催滲滲氮（圖4c、e）和常規(guī)離子滲氮（圖4d、f）的金相顯微組織可以看出，鈦催滲滲氮的白亮層和擴(kuò)散層都比常規(guī)滲氮要厚，滲氮效果明顯優(yōu)于常規(guī)滲氮。還可以看出，3 h 鈦催滲滲氮和常規(guī)滲氮相比，滲氮層的厚度和均勻度提升較為明顯，說(shuō)明鈦催滲滲氮在快速離子滲氮中有重要作用。觀察鈦催滲滲氮和常規(guī)滲氮的化合物層和擴(kuò)散層交界處還可以看出，常規(guī)滲氮有較多的脈狀組織。

2.3 滲層SEM 形貌觀察

為了觀察滲層更為細(xì)微的部分，用掃描電子顯微鏡對(duì)滲層的微觀組織進(jìn)行觀察分析。為了進(jìn)一步分析鈦的加入對(duì)等離子滲氮的作用效果，掃描電鏡的觀察選取常規(guī)離子滲氮和鈦催滲離子滲氮3 h 進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖5 所示。

圖5 38CrMoAl 鋼常規(guī)等離子滲氮和鈦催滲離子滲氮3 h 滲層截面SEM 形貌Fig.5 The SEM morphology of the cross-section of 38CrMoAl steel conventional plasma nitriding and titanium-catalyzed plasma nitriding for 3 hours

38CrMoAl 鋼常規(guī)等離子滲氮3 h 試樣截面的SEM 形貌如圖5a 所示。從圖5a 左圖中很難看出化合物層的存在，大致可以看出擴(kuò)散層與基體的交界，且交界處存在大量脈狀組織，擴(kuò)散層厚度明顯小于T3 試樣。此外，從圖5a 右圖中也可看出，其化合物層較薄，且與擴(kuò)散層交界處存在較多橫向析出的條狀氮化物。

38CrMoAl 鋼經(jīng)鈦催滲等離子滲氮3 h 試樣截面的SEM 形貌如圖5b 所示。由圖5b 左圖可以看出，試樣有一層較薄的化合物層，擴(kuò)散層顏色較深。因?yàn)闈B層和基體的耐蝕性不同，經(jīng)腐蝕后，呈現(xiàn)不同的顏色，滲層的耐蝕性顯然強(qiáng)于基體。由圖5b 左圖可大致測(cè)出擴(kuò)散層的厚度在300 μm 左右，與金相顯微鏡觀察結(jié)果吻合。由圖5b 右圖可以看出，化合物層顏色均勻，較為致密。在擴(kuò)散層與化合物層交界處的條紋狀組織為析出的氮化物。

經(jīng)過(guò)對(duì)38CrMoAl 鋼兩種滲氮試樣化合物層與擴(kuò)散層交界處的條紋狀氮化物的分析表明，其對(duì)零件的韌性、疲勞強(qiáng)度有不利影響，金屬材料易發(fā)生疲勞斷裂。將T3 與R3 兩試樣滲層截面SEM 形貌對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，T3 試樣的條狀氮化物相對(duì)于R3 試樣較少，添加的Ti 元素減少了條狀析出物，說(shuō)明鈦的加入提高了滲層組織的性能。

2.4 滲層能譜分析

R3 試樣滲層掃描區(qū)域如圖6 所示，其能譜分析圖譜如圖7 所示，EDS 能譜檢測(cè)見(jiàn)表2。T3 試樣滲層掃描區(qū)域示意圖、能譜分析圖譜分別如圖8 和9 所示，EDS 能譜檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖8 T3 試樣滲層掃描區(qū)域示意Fig.8 Scanning area sketch of T3 sample’s penetrating layer

表2 R3 試樣EDS 能譜檢測(cè)結(jié)果Tab.2 EDS energy spectrum test results of R3 sample wt%

表3 T3 試樣EDS 能譜檢測(cè)結(jié)果Tab.3 EDS energy spectrum test results of T3 sample wt%

圖6 R3 試樣滲層掃描區(qū)域示意圖 (100×)Fig.6 Scanning area sketch of R3 sample’s penetrating layer (100×)

圖7 R3 試樣能譜分析圖譜Fig.7 Energy spectrum analysis chart of R3 sample

可以看出，兩個(gè)工藝試樣的氮元素含量從Q 到P區(qū)域均依次減少。對(duì)比在T3、R3 試樣在兩區(qū)域的氮元素含量，T3 試樣滲入的氮元素均明顯高于R3 試樣，而材料本身不含有氮元素，氮元素完全來(lái)自于離子滲入，說(shuō)明鈦的加入能明顯提高氮元素的滲入。兩工藝試樣的氮元素含量均從表至里依次下降的分布規(guī)律與38CrMoAl 鋼試樣不同工藝下滲層硬度從表至里逐漸下降相吻合，且T3 試樣的氮元素含量高于R3 試樣也與兩試樣的表面硬度測(cè)試結(jié)果一致。與R3 試樣相比，T3 試樣的滲層深度有明顯提高，且化合物層γ′相和ε 相氮化物提高了試樣的滲層硬度。

圖9 T3 試樣能譜分析圖譜Fig.9 Energy spectrum analysis chart of T3 sample

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，T3 試樣Al、Cr 元素的含量明顯高于R3 試樣，而Al、Cr 元素為材料本身所含元素，說(shuō)明鈦的加入有促進(jìn)合金元素從基體向表面擴(kuò)散、積聚的作用，即有促進(jìn)表面合金化的作用。在檢測(cè)中未發(fā)現(xiàn)鈦元素的存在，說(shuō)明在檢測(cè)區(qū)域鈦元素并未滲入，初步判斷可能由于含鈦層太薄，僅存在于試樣表層。

2.5 XRD 物相分析

38CrMoAl 鋼T3 試樣的X 射線衍射圖譜見(jiàn)圖10。從衍射圖譜可知，T3 試樣表面化合物總體是以ε 相（Fe2～3N）為主，同時(shí)還含有一定量的TiN 化合物。在滲層表面檢測(cè)到的TiN 確定了Ti 元素在表面的存在狀態(tài)，TiN 是一種熔點(diǎn)高、硬度大且具有較低摩擦系數(shù)的一種化合物。通過(guò)EDS 能譜以及XRD 檢測(cè)，結(jié)合之前的硬度檢測(cè)，可以認(rèn)為，鈦加入的離子滲氮在滲層表面形成了彌散分布的TiN，使表面硬度得到極大提升。

圖10 T3 試樣X(jué) 射線衍射圖譜Fig.10 X-ray diffraction pattern of T3 sample

3 鈦催滲等離子氮化機(jī)理分析

通過(guò)對(duì)比分析鈦催滲等離子滲氮和常規(guī)離子滲氮后試樣的表面硬度、滲層深度、金相組織、SEM形貌、EDS 能譜，以及對(duì)鈦催滲等離子滲氮的XRD物相分析表明，鈦的加入可以顯著提升滲氮效果，增加滲層中氮元素含量。其催滲機(jī)理是多因素相互作用的結(jié)果。

在電子或正離子轟擊下，放在陽(yáng)極和陰極上的海綿鈦被擊出鈦離子（Ti+）。在直流電場(chǎng)的作用下，鈦離子轟擊工件表面，借助于晶體缺陷層中空位的運(yùn)動(dòng)，鈦在表層擴(kuò)散，并在工件表面上形成非常薄的鈦層。同時(shí)，因?yàn)殛帢O濺射效應(yīng)，所以進(jìn)入試樣表面的鈦原子可能被轟出，并與試樣表面附近等離子體區(qū)的氮離子結(jié)合，形成含氮量高的鈦氮化合物，其會(huì)吸附在工件表面，并因其不穩(wěn)定特性而釋放出氮，快速分解成氮含量較低的鈦氮化合物，被釋放的活性氮原子，則從工件表面向內(nèi)部擴(kuò)散。試樣表面氮含量高的鈦氮化合物的吸附和釋放氮的作用，將會(huì)形成較常規(guī)離子滲氮的氮濃度更大的表面，因此加快了氮化速度，并使得滲層加厚，而表面硬度也因離子滲氮和鈦化合物生成的疊加作用而高于常規(guī)離子滲氮[25-26]。

在鈦催滲離子滲氮的過(guò)程中，不僅有滲氮的固有正離子向試樣表面高速轟擊，還增加了鈦的正離子參與，因此表面晶體缺陷（可能增多空位和位錯(cuò)密度）也會(huì)相應(yīng)增加，從而形成了更有利的擴(kuò)散條件[27]。在鈦離子滲氮的過(guò)程中，鈦和氮的正離子同時(shí)產(chǎn)生，同時(shí)轟向工件表面。上述過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，使得在工件表面形成的晶體缺陷層、含鈦層以及高濃度的含氮層相互重疊，并密切連系在一起。因此，鈦催滲離子滲氮的復(fù)合作用有利于化合物層和擴(kuò)散層的厚度增加。

4 結(jié)論

1）38CrMoAl 鋼試樣經(jīng)過(guò)鈦催滲等離子滲氮后，滲層的表面硬度和深度明顯高于常規(guī)離子滲氮。鈦的加入可以提升滲氮效率，提高滲氮效果。

2）在保溫溫度為535 ℃、氨氣流量為2.0 L/min的工藝參數(shù)下，38CrMoAl 鋼鈦催滲等離子滲氮的綜合性能和滲氮效率最優(yōu)的保溫時(shí)間為3 h。38CrMoAl鋼鈦催滲等離子滲氮 3 h 樣品的表面硬度可達(dá)1160.8HV，滲層深度為300 μm，與常規(guī)離子滲氮8 h的滲氮效果相當(dāng)，滲氮效率提升明顯。

3）鈦的加入可以顯著增強(qiáng)合金元素向表面富集的趨勢(shì)，有利于表面合金化。