Cr12鋼的稀土誘導離子滲氮工藝

余澤通， 王明利， 牛 毅,3， 劉貫軍

(1. 河南科技學院 機電學院， 河南 新鄉(xiāng) 453003；2. 新鄉(xiāng)市高服機械股份有限公司， 河南 新鄉(xiāng) 453003；3. 河南科技學院 高等職業(yè)技術學院， 河南 新鄉(xiāng) 453003)

Cr12鋼是一種高性能的高碳高鉻型工具鋼，具有良好的韌性、硬度、淬透性及加工尺寸穩(wěn)定等特性。廣泛用于模具領域，如，增強型塑料模具、壓塑模具及熱作模具等[1]。表面滲氮是在一定條件下將活性氮原子滲入到零件表面內，以期提高零件的表面硬度、耐磨性、疲勞強度、耐腐蝕性等性能的一種工藝方法[2]。盡管該方法已提出并發(fā)展了很多年，但仍面臨著如何進一步提高滲氮速度、滲氮層深度、表面硬度等問題[3-4]。

離子滲氮技術解決了帶有小孔或窄縫零件的滲氮不均勻等問題，已成為當今零件滲氮的主要工藝方法之一[5-6]。一般離子滲氮工藝是由滲劑的分解、氮原子吸附反應及定向滲透3個過程組成。為此，要實現(xiàn)更快滲速、更深滲層及更高的硬度，必須對上述3個過程進行改進，以適應目前工業(yè)發(fā)展的需求。稀土具有優(yōu)良的光、電、磁等物理特性，能大大改善金屬材料的力學性能?，F(xiàn)有研究表明，稀土能夠提高金屬零件表面的滲氮效果，已成為本領域的研究熱點之一。韓寶軍等[7]將稀土金屬熔入38CrMoAl鋼中，進行了離子滲氮試驗，針對稀土含量與滲氮層表面的性能關聯(lián)進行了研究，結果表明，稀土的加入能提高金屬表面滲氮層的硬度及深度。陳方生等[8]對稀土催化滲氮層的特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)稀土對滲氮層的微觀結構、耐磨性及疲勞強度都有明顯影響。

盡管稀土元素對金屬表面離子滲氮工藝的影響研究已有報道，但該方法出現(xiàn)的時間較晚，目前研究還不是很充分，尤其是稀土元素對Cr12鋼離子濺射滲氮工藝影響的研究鮮有發(fā)現(xiàn)。為此，本文對Cr12鋼進行稀土誘導離子濺射滲氮試驗，研究了稀土與Cr12鋼試樣間的距離對其離子濺射滲氮效果的影響，為進一步完善稀土誘導離子濺射工藝奠定基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本文選用Cr12鋼為研究對象，試樣規(guī)格為21 mm×21 mm×5 mm。稀土合金試樣為三角形，厚度5 mm，邊長20 mm，二者化學元素見表1。

表1 Cr12鋼及稀土合金的化學成分(質量分數(shù)，%)

1.2 離子濺射滲氮試驗

影響離子濺射滲氮效果的因素較多，主要有滲氮時間、溫度、氮氣流量及壓力等因素。在此設定離子濺射滲氮試驗條件：爐溫520 ℃，爐內壓先預抽真空40 Pa，氨氣作為滲氮氣源，通入氨氣后爐壓控制在180～200 Pa，氨氣流量為180～200 mL/min，保溫10 h。稀土與Cr12鋼試樣間的距離設定為10～50 mm。滲氮爐為LDMC-30F型離子滲氮爐，試驗前先用無水乙醇及丙酮清洗掉試樣表面的油污，冷風吹干。然后將試樣均勻放置在滲氮爐盤上，調整Cr12鋼試樣與稀土塊之間的距離，準備結束后緩慢關閉爐蓋并開始抽真空。當滲氮爐真空度為40 Pa時，通入氨氣。當爐溫達到設定溫度時，滲氮開始并保溫。試驗結束后試樣隨爐冷卻，待溫度降到100 ℃以下時取出試樣。觀察其表面顏色，看滲氮效果是否一致，一致則進行硬度、滲氮層深度、磨損率及XRD試驗，否則該試樣作廢。

1.3 試樣表面檢測

滲氮完成后先將試樣表面打磨和拋光，再用4%(體積分數(shù))的硝酸酒精腐蝕。用HV-1000Z維氏硬度計測試試樣表面不同深度處的硬度，加載載荷為5 N。試驗重復測量3次，求其平均值。然后利用摩擦磨損試驗機檢測試樣表面的摩擦因數(shù)及磨損率，旋轉半徑為8 mm，轉數(shù)20 000 r/min，加載砝碼1000 g。最后利用X射線衍射儀(Siemens Diffractometer D5000)對試樣表面、內層結構和擴散層進行觀察及測量。

2 試驗結果及分析

2.1 表面硬度及滲氮層深度

氮原子滲入金屬表面硬度會明顯增大，為此，硬度值可以用來量化表征試樣表面的滲氮效果。由圖1可以看出(稀土誘導距離為25 mm)，試樣表面滲氮后硬度明顯增大，基體硬度約為258 HV0.5，經過滲氮后試樣表面的硬度最大達到1000 HV0.5，表明已有氮元素滲入到了試樣表面內。此外，隨著距試樣表面距離的增加，硬度呈現(xiàn)快速下降趨勢，最終接近基體硬度值，此時距離表面的距離即為滲氮層深度。表明氮含量隨著深度的增加開始比較穩(wěn)定，然后急劇減少。究其原因為氮原子在滲入的過程中與鐵原子產生化學反應，生成了氮化鐵。隨著深度的增加，氮原子的數(shù)量及活性都呈現(xiàn)下降趨勢，滲氮效果變差，硬度值相應下降。這與其他滲氮效果一致，表明本試驗合理，滿足本研究要求。

圖1 Cr12鋼試樣表面不同深度層的硬度值

圖2為稀土塊與Cr12鋼試樣在不同距離下的表面硬度及滲氮層深度試驗結果，可以看出稀土塊與試樣之間距離為10 mm時，滲氮層深度最大，同時表面硬度也最低。隨著距離增加，試樣表面硬度呈現(xiàn)上升趨勢，但滲氮層深度快速下降。與普通離子滲氮相比，稀土誘導離子滲氮表面的硬度略低，而滲氮層深度均增大，尤其稀土與試樣距離為10 mm時，滲透層深度達到230 μm，遠大于普通離子滲氮深度90 μm。當稀土與試樣距離為50 mm時，稀土誘導離子滲氮深度及硬度與普通離子滲氮效果基本相同。表明稀土元素的添加增大了試樣滲氮層的深度，同時也使表面硬度有所降低。

圖2 不同誘導距離下Cr12鋼試樣表面硬度及滲氮層深度

2.2 摩擦因數(shù)及磨損率

由圖3可以看出，不同試樣的摩擦因數(shù)及磨損量不同，說明稀土塊與試樣之間距離對試樣滲氮效果存在影響，進而改變了試樣表面的摩擦學特性。普通離子滲氮工藝下摩擦因數(shù)為0.42左右，表面磨損率1.8×10-6，而稀土誘導下試樣表面的摩擦因數(shù)基本不變，而磨損率明顯增大。表明稀土誘導離子滲氮表面的摩擦學特性已被改變，其抗磨損效果減弱。

圖3 不同誘導距離下Cr12鋼試樣表面摩擦因數(shù)及磨損率

2.3 XRD檢測

為進一步檢驗試樣表面稀土誘導效果，利用XRD衍射儀對試樣表面物相組成進行檢測。圖4(a)為原始表面，圖4(b)為稀土誘導距離15 mm的離子滲氮表面。通過對比可以看出，稀土誘導滲氮后試樣表面出現(xiàn)了含稀土元素和氮元素的化合物，表明稀土原子和氮原子已經滲入到工件表面中。由XRD量化對比結果圖5得知，當稀土與Cr12鋼距離為15 mm，滲氮層中Ce的含量最高，隨著距離的繼續(xù)增大，滲氮層中Ce的含量越來越少，當距離超過25 mm后，稀土的作用基本消失。

圖4 Cr12鋼試樣滲氮前(a)、后(b)表面XRD圖譜

圖5 不同誘導距離下Cr12鋼試樣表面稀土含量

3 機理分析

上述試驗結果已表明，稀土元素對Cr12鋼離子濺射滲氮效果影響顯著，增大了氮離子的滲入深度，兩者距離越近則其影響程度越顯著。這是由于離子滲氮過程中，氮氣在爐內高壓電場的作用下快速電離。高能氮離子和氫離子在轟擊工件表面的同時，也轟擊了稀土滲劑，并與稀土元素發(fā)生作用，使部分稀土元素離子化[9]。而稀土具有很強的化學活性，極易吸附、沉積于工件表面，使工件表面對氮離子的吸附能力增強。為此增大了Cr12鋼表面氮離子的濃度，為氮離子的滲入及形成氮化物提供了良好的濃度梯度條件[10-11]。另一方面，稀土元素La及Ce的粒子尺度較大，該元素在滲入試樣表面后會引發(fā)基體材料的晶界畸變，這又為氮離子的滲入提供了路徑優(yōu)勢[9-10]。而氮離子更容易沿著晶界、相界及位錯路徑向材料內部快速擴散，為此氮離子的滲入距離增大，從而在基體材料更深處生成氮化物[9,11]，見圖6。

圖6 稀土誘導離子滲氮原理

綜上所述，稀土能夠增大試樣表面氮離子吸附能力，并為其滲入提供路徑優(yōu)勢，致使離子滲氮層深度明顯增加。此外，稀土粒子引發(fā)的基體材料晶格畸變改變了材料本身的微觀結構，使試樣表面的硬度及摩擦學特性變差。當稀土與Cr12鋼試樣距離過大時(大于25 mm)，稀土離子能量衰減嚴重，多數(shù)離子很難吸附到試樣表面上，致使稀土誘導效果消失。

4 結論

1) 稀土對Cr12鋼離子濺射滲氮效果影響顯著，隨著稀土塊與Cr12鋼試樣距離的增加，稀土誘導效果逐漸降低。當誘導距離小于25 mm時，滲氮層深度明顯增加，試樣表面硬度相對普通離子滲氮工藝明顯減小，表面摩擦學性能也略差；當誘導距離超過25 mm時，稀土誘導效果明顯減弱，試樣表面的硬度及摩擦因數(shù)與普通離子滲氮工藝基本相同，但磨損率明顯增大。

2) 相對普通離子滲氮Cr12鋼表面，稀土能有效改善試樣表面氮離子的吸附能力，并使基體材料內部產生晶格畸變，提供了路徑優(yōu)勢，致使離子滲氮層的深度增加。當稀土與試樣距離過大，稀土離子能量衰減嚴重，吸附及誘導效應消失。此外，晶格變形后的材料表面耐磨性能明顯下降，致使試樣表面磨損率增大。