低溫復(fù)合滲鉻對鋼鐵材料硬度的影響

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，用滲鉻工藝對普通鋼進(jìn)行滲鉻來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，本文通過對20鋼、T10鋼及H13鋼進(jìn)行低溫復(fù)合滲鉻，以探究低溫復(fù)合滲鉻對鋼基材料硬度及耐磨性的影響。

2 試驗設(shè)備與條件

本試驗的工藝過程所用試驗設(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。試驗中的溫度測量分兩部分：鹽浴溫度采用K型熱電偶及XMT-101數(shù)顯溫度計組成測溫系統(tǒng)直接測量，爐膛溫度則用另一個相同的測溫系統(tǒng)進(jìn)行檢測，并通過溫控器和調(diào)壓器控制爐膛溫度來控制鹽浴溫度，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

滲層的硬度用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計進(jìn)行檢測。檢測表面硬度時，表面需經(jīng)拋光布拋光，檢測橫截面硬度分布時，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 耐磨性測試

耐磨性試驗在MM200磨損試驗機(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，對比不同熱處理工藝對材料耐磨性的影響。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)。試驗選用147N的正壓力，無潤滑、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；每間隔相同的時間量取磨痕的尺寸，按統(tǒng)計法得出試樣的磨損曲線，并計算比磨損率，然后進(jìn)行相對耐磨性對比。

圖2 耐磨性試驗試樣裝夾示意

低溫復(fù)合滲鉻工藝：在610℃時保溫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)中的實際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 低溫復(fù)合滲鉻層硬度檢測

不同材料低溫復(fù)合滲鉻表面顯微硬度檢測結(jié)果見表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)過預(yù)先滲氮后，過渡區(qū)內(nèi)同時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）

試驗采用試樣表面各檢測15個不同的點，取其平均值作為表面顯微硬度值。對某些試樣，低溫復(fù)合滲鉻后的表面硬度出現(xiàn)很大的波動，如T10鋼試樣，最高可達(dá)1362HV0.05，最低只有362HV0.05，這主要是因為復(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。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，因為碳素鋼不含合金元素，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比

3.2 低溫復(fù)合滲鉻層耐磨性對比試驗

磨損測量方法用測長法，本試驗用萬能工具顯微鏡測量磨痕的寬度，并根據(jù)公式計算出比磨損量，比較其耐磨性能。

比磨損率計算公式為

式中ω——比磨損率；

△V——磨損體積（mm3）；

W——法向載荷（N），取147N；

L——相對滑動距離（mm）。

圖4所示為3種不同工藝試樣獲得的不同磨損時間測量的磨痕寬度。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比

3種試樣磨損15min后的比磨損率見表2。從表2數(shù)據(jù)可以更加準(zhǔn)確地對比3種不同工藝試樣的相對耐磨性，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組試樣比磨損率對比

4 結(jié)束語

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。