閆 卓

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

由于機械設(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。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,廣泛應(yīng)用于實際工業(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)的不斷進步,不銹鋼等特種材料進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載荷進行硬度測試不能反映出實際零件的滲氮硬度,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鋼作為試驗材料,對不同材料進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 試驗材料與方法

試驗材料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行硬度測試,采用維氏硬度計對滲氮試樣進行硬度測試,并且對兩次測量結(jié)果進行對比分析。

2 試驗結(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)域為基體組織,滲氮層與基體組織分界明顯。由于滲氮溫度遠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,檢測的硬度實際為基體硬度,并不能真實反映滲氮層硬度。因此,2Cr13滲氮試樣不適用采用5 kgf載荷進行硬度測試,可采用2 kgf或1 kgf載荷進行滲氮層硬度測試。

(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載荷進行硬度測試。