表面粗糙度對(duì)38CrMoAl鋼滲氮層組織和性能的影響

崔入威，林鈺，高進(jìn)，趙竹花，楊通，侯超前

中航力源液壓有限公司 貴州貴陽(yáng) 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(qiáng)度高，以及綜合力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，該鋼材在國(guó)防、航空航天及民用領(lǐng)域應(yīng)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(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者均進(jìn)行了很多研究。劉豪等[1]研究了溫度及時(shí)間對(duì)38CrMoAl鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為的影響并建立Sellars模型來驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。楊小軍等[2]測(cè)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(duì)比了介穩(wěn)態(tài)熱處理與調(diào)質(zhì)處理對(duì)38CrMoAl鋼滲氮后組織與硬度的影響。古璟等[4]對(duì)比了不同表面粗糙度對(duì)25Cr3MoA鋼滲氮層深度和組織的影響。

有關(guān)38CrMoAl鋼制零部件調(diào)質(zhì)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(duì)其滲氮層組織及性能的研究甚少。表面粗糙度對(duì)滲氮層組織及其性能的影響明顯且其相關(guān)研究在工程推廣應(yīng)用上具有一定參考意義。為了研究表面粗糙度對(duì)滲氮層組織及性能的影響，對(duì)比研究了不同表面粗糙度試樣滲氮層組織及性能。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

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

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)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(jì)和GX71F光學(xué)顯微鏡。

2.3 試驗(yàn)方法及參數(shù)

試樣經(jīng)930℃保溫40min油冷+570～600℃保溫60min水冷調(diào)質(zhì)處理后，采用機(jī)械加工或干式風(fēng)動(dòng)吹砂制備5個(gè)級(jí)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(cè)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(xué)顯微鏡觀察顯微組織，采用FM7600顯微硬度計(jì)按硬度梯度法測(cè)定滲氮層深度。

3 結(jié)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(cè)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(kuò)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)定，心部組織為2級(jí)“索氏體+少量鐵素體”，滲氮層組織為4級(jí)“滲氮索氏體+半連續(xù)細(xì)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(jí)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(jí)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(jí)別呈降低趨勢(shì)。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(guān)。

圖2 表面硬度

圖3 表面脆性級(jí)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(shí)，滲氮層硬度梯度相對(duì)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(kuò)散層也對(duì)應(yīng)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(guān)，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(dāng)表面粗糙度均值達(dá)到1.46μm后，滲氮層增厚速率減小且最后趨于穩(wěn)定，當(dāng)表面粗糙度均值達(dá)到3.24μm時(shí)，滲氮層白層和擴(kuò)散層達(dá)到最大，分別達(dá)到24μm和360.8μm。

圖5 滲層深度曲線

表面粗糙度對(duì)白層和滲氮層深度的影響值得關(guān)注，在相同滲氮條件下，表面粗糙度越低，所需滲氮時(shí)間越長(zhǎng)[6]，一定范圍內(nèi)表面粗糙度較大時(shí)，具有更高的滲氮效率。一方面，適當(dāng)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(shí)間能夠吸附更多的活性氮原子[N]參與界面反應(yīng)[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(jié)束語(yǔ)

1）表面粗糙度均值增大時(shí)，滲氮層的白層和擴(kuò)散層也有對(duì)應(yīng)增大的趨勢(shì)。當(dāng)表面粗糙度均值增大到Ra1.46μm后，滲氮效率趨于穩(wěn)定；當(dāng)表面粗糙度均值達(dá)到Ra3.24μm時(shí)，滲氮層白層和擴(kuò)散層達(dá)到最大，分別達(dá)到24μm和360.8μm。

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

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(yīng)力分布。