不同材料滲氮層硬度測試載荷的選擇研究

閆 卓

(沈陽工學(xué)院機(jī)械工程與自動化學(xué)院,遼寧 沈陽 113122)

由于機(jī)械設(shè)備使用條件、應(yīng)用環(huán)境等特殊原因,常對設(shè)備零件的表面質(zhì)量提出高于材料本身標(biāo)準(zhǔn)的情況,即保持零件材料原力學(xué)性能的前提下,賦予其表面高硬度、高耐磨性和高腐蝕性的特點(diǎn)。表面滲氮處理具有表面高硬度和耐磨性、高抗蝕性和零件變形小的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中[1-3]。目前,對于材料滲氮處理的研究比較多,如靳曾博等分析了離子滲氮溫度對310S鋼耐腐蝕性能的影響[4]。牛毅等研究了滲氮工藝對304鋼旋振篩機(jī)的使用壽命和物料純凈度的影響[5]。但對于滲氮層硬度測試載荷選擇的研究報道很少,常規(guī)使用的載荷為5 kgf。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,不銹鋼等特種材料進(jìn)行滲氮處理逐漸增多,由于材料的特殊性,如果一律采用5 kgf載荷進(jìn)行硬度測試,有可能會出現(xiàn)檢測的滲氮層硬度與基體硬度相當(dāng),但采用顯微硬度法檢測滲氮層硬度時表現(xiàn)出不同的硬度。因此,采用5 kgf載荷進(jìn)行硬度測試不能反映出實(shí)際零件的滲氮硬度,對不同滲氮零件的硬度測試載荷的選擇至關(guān)重要。

本文以鍛造成型的38CrMoAl鋼、35CrMo鋼、2Cr13鋼及鑄造成型的ZG1Cr13Ni鋼作為試驗(yàn)材料,對不同材料進(jìn)行滲氮處理后檢測滲氮層硬度梯度以及不同載荷下的維氏硬度,為不同材料的滲氮層硬度測試載荷的選擇提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料38CrMoAl鋼和35CrMo鋼為電爐冶煉、爐外精煉后鍛造成型;2Cr13鋼為電爐冶煉、電渣重熔后鍛造成型;ZG1Cr13Ni鋼為鑄造成型。4種不同材料調(diào)質(zhì)處理后硬度見表1。

表1 滲氮試樣

試樣經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后在離子氮化爐內(nèi)進(jìn)行滲氮處理,滲氮處理的基本原理與過程為:由零件自身作為“-”極,使之與爐體“+”極之間產(chǎn)生輝光放電反應(yīng),然后通入氨氣,電荷將通入的氨氣電離,電離出的氮離子飛濺到待滲氮零件表面,使零件表面生成硬度極高的氮化物。具體的滲氮工藝為:氮化環(huán)境為真空,且需保證真空度低于1×105Pa,氮化溫度為530 ℃,保溫30 h,氮化爐爐溫使用電流控制。采用OLYCIAm3型金相顯微鏡觀察滲氮試樣的顯微組織并測量滲氮層深度;使用馬氏試劑腐蝕試樣,采用顯微硬度法對滲氮試樣進(jìn)行硬度測試,采用維氏硬度計對滲氮試樣進(jìn)行硬度測試,并且對兩次測量結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

不同滲氮試樣的顯微組織如圖1所示。由圖1可知,不同滲氮試樣的顯微組織均由滲氮層和基體兩部分組成,滲氮層區(qū)域的顏色較深,顏色較淺的區(qū)域?yàn)榛w組織,滲氮層與基體組織分界明顯。由于滲氮溫度遠(yuǎn)低于各種材料的回火溫度,因此基材的顯微組織未發(fā)生明顯變化。并測量不同滲氮試樣的滲氮層深度,38CrMoAl鋼、2Cr13鋼、35CrMo鋼和ZG1Cr13Ni鋼的滲氮層深度分別為0.43、0.17、0.29和0.37 mm。

2.2 滲氮層硬度梯度

圖2為負(fù)載0.2 kgf條件下不同滲氮試樣的硬度梯度。由圖2可知,隨著距表面的距離逐漸增加,不同試樣的滲氮層硬度均呈下降趨勢。對于38CrMoAl和35CrMo滲氮試樣,隨距表面的距離增加,硬度下降趨勢較為平緩,在深度超過滲氮層而到達(dá)基體時,硬度下降較為均勻,并未出現(xiàn)硬度明顯下降的現(xiàn)象,這說明滲氮層和基體的硬度值相當(dāng),見圖2(a)和2(b);而對于ZG1Cr13Ni和2Cr13滲氮試樣,由滲氮層過渡到基體時,硬度值出現(xiàn)急劇下降,說明了滲氮層和基體的硬度值差距極大,見圖2(c)和2(d)。

(a)38CrMoAl鋼;(b)35CrMo鋼;(c)ZG1Cr13Ni鋼;(d)2Cr13鋼圖2 不同滲氮試樣的的硬度梯度(a)38CrMoAl steel; (b)35CrMo steel; (c)ZG1Cr13Ni steel; (d)2Cr13 steelFig.2 Hardness gradient of different nitrided samples

圖3為不同滲氮試樣在不同載荷下的維氏硬度檢測結(jié)果。由于不同滲氮試樣的滲氮層深度不同,如果一律采用5 kgf載荷來檢測滲氮層硬度,可能會出現(xiàn)所測得的硬度值并不是滲氮件實(shí)際硬度值的現(xiàn)象。如2Cr13鋼,由于其滲氮層深度較淺,使用大載荷測試硬度時,硬度值僅為300 HV左右,與基材硬度相當(dāng),以此硬度值作為判斷滲氮處理質(zhì)量的優(yōu)劣是不合理的。當(dāng)滲氮層深度大于0.2 mm時,在不同載荷下滲氮層的維氏硬度值基本一致,無明顯變化,如圖3(a)、3(b)和3(c)所示。因此,對于38CrMoAl、35CrMo和ZG1Cr13Ni滲氮試樣,由于其滲氮層深度較深,可以采用5 kgf載荷進(jìn)行滲氮層硬度測試。當(dāng)滲氮層深度小于0.2 mm時,在不同載荷下滲氮試樣的維氏硬度值有明顯的不同,如圖3(d)所示。在5 kgf載荷下,2Cr13滲氮試樣的滲氮層硬度值與基材硬度值相當(dāng),與實(shí)際硬度值有較大的偏差,由于滲氮層已經(jīng)被硬度測試設(shè)備的金剛石壓頭擊穿,檢測的硬度實(shí)際為基體硬度,并不能真實(shí)反映滲氮層硬度。因此,2Cr13滲氮試樣不適用采用5 kgf載荷進(jìn)行硬度測試,可采用2 kgf或1 kgf載荷進(jìn)行滲氮層硬度測試。

(a)38CrMoAl鋼;(b)35CrMo鋼;(c)ZG1Cr13Ni鋼;(d)2Cr13鋼圖3 不同載荷下滲氮試樣的維氏硬度(a)38CrMoAl steel; (b)35CrMo steel; (c)ZG1Cr13Ni steel; (d)2Cr13 steelFig.3 Vickers hardness of different nitrided samples under different loads

3 結(jié)論

1)相同滲氮工藝下,滲氮層深度由大到小依次為38CrMoAl鋼、ZG1Cr13Ni鋼、35CrMo鋼和2Cr13鋼。

2)在0.2 kgf載荷條件下,隨著距表面的距離增加,不同滲氮試樣的滲氮層硬度均呈下降趨勢。

3)對于38CrMoAl、35CrMo和ZG1Cr13Ni滲氮試樣,滲氮層深度大于0.2 mm時,可采用5 kgf載荷進(jìn)行硬度測試;對于2Cr13滲氮試樣,滲氮層深度小于0.2 mm時,可采用2 kgf或1 kgf載荷進(jìn)行硬度測試。