35CrMo钢罐装法多段渗氮渗层组织与耐蚀性能

2013-10-16于玉城王振玲王振廷

黑龙江科技大学学报 2013年1期

于玉城，王振玲，王振廷

(黑龙江科技学院材料科学与工程学院，哈尔滨 150027)

0 引言

研究表明，罐装法渗氮具有经济、快速和设备简单的特点[1]。但如何在短时间内制备出优质的渗氮层，仍然是需要继续探讨的课题。钢的渗氮过程包括氮化介质(氨气)的分解、活性氮原子被工件表面吸收和氮原子向钢件内部扩散三个过程。为加速渗氮效率，可在不同的渗氮阶段调整温度和保温时间来获得最佳的渗氮效果，即采用多段渗氮工艺[2－5]。35CrMo合金结构钢，有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性较40Cr高，高温下有高的蠕变强度与持久强度，长期工作温度可达500℃，主要用于制造承受冲击、弯扭、高载荷的各种机器中的重要零件，如轧钢机人字齿轮、曲轴、锤杆、连杆、汽轮发动机主轴等。文中以尿素做渗氮剂采用罐装法对35CrMo钢进行渗氮，来探讨多段渗氮工艺对渗氮层组织和耐蚀性能的影响。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验材料为35CrMo钢，渗氮前35CrMo钢进行调质处理，850℃ ×30 min(水淬)+550℃ ×40 min(高温回火)，以获得良好的综合性能。渗氮试样尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，耐蚀实验的试样尺寸为Ф15 mm×3 mm。渗氮前将样品表面用细砂纸打磨光滑，然后用丙酮擦洗进行除油。渗氮剂选用尿素，催渗剂为NH4Cl，其加入比例为2%。

1.2 实验设备及工艺

将样品和渗氮剂放入钢罐中并密封，然后将钢罐放进电阻炉中进行加热渗氮。具体的多段渗氮工艺如图1所示，渗氮总的时间均为6 h。

1.3 测试分析方法

渗氮层的显微组织采用XJP－3A型金相显微镜进行观察。渗层的物相分析在Rigaku D/max－RB型X射线衍射仪上进行。显微硬度利用MHV2000数显显微硬度计进行测试。利用CHl660B型电化学工作站测试在3.5%的NaCl溶液中渗氮试样的极化曲线，辅助电极为碳棒，参比电极为饱和的甘汞电极。

图1 35CrMo钢多段渗氮工艺Fig.1 Process drawing of multiple-stage nitriding of 35CrMo steel

2 结果与讨论

2.1 渗氮层组织

图2 不同工艺条件下的渗氮层组织Fig.2 Microstructure of nitriding layer under different nitriding technology

图2为35CrMo钢采用不同的阶段渗氮工艺制备出的渗氮层组织。从图2中可以看出，采用三段渗氮工艺，获得的渗氮层厚度值最大，且渗氮层连续性较好。采用二段和四段工艺获取的渗氮层厚度次之，一段渗氮工艺制出的渗氮层厚度最薄。这表明三段氮化工艺比较符合密封罐法渗氮规律。对该工艺条件下制备出的渗氮层进行X射线衍射分析，发现渗氮层主要由Fe-Cr相和Fe3N相组成，如图3所示。由图2可以看出，采用三段渗氮工艺制备出的渗层较厚，连续性较好。分析认为:在520℃渗氮3 h后，钢表面形成一定厚度的渗层后，渗速快慢主要靠氮原子在钢中的扩散速度来决定，而决定扩散速度的主要因素是温度。此时将渗氮温度提高到600℃，可以有效提高氮原子在渗件表面的扩散速度。但同时长时间高温渗氮，会使钢表层和心部的组织粗大，硬度下降，氮化后渗件力学性能下降。因此，钢氮化温度在高温(600℃)保温一定时间后，再降至低温(520℃)，既提高了渗氮速度，提高表面耐蚀性，同时又保证了氮化件的综合性能。

图3 三段渗氮工艺35CrMo钢氮化层的X射线衍射谱Fig.3 X-Ray pattern of nitriding layer of 35CrMo obtained by three-multiple-stage technology

2.2 显微硬度

图4为35CrMo钢采用不同阶段渗氮工艺时氮化层的显微硬度分布。从图4发现，与一段渗氮工艺相比，采用多段渗氮后其渗氮层的显微硬度均有一定增加，其中采用三段渗氮工艺获得的渗层的整体硬度值最高，采用两段和四段工艺的渗氮层硬度值次之。这与不同工艺条件的渗氮层厚度的变化趋势相一致，说明渗氮层较厚，相应其硬度值也较高一些。

图4 35CrMo钢从氮化层表面到基体的硬度分布曲线Fig.4 Hardness distribution curves of nitriding of 35CrMo steel from surface to matrix of different multiple-stage nitriding

另外从图4中还可以看出，35CrMo钢基体硬度为364 MPa，经过多段渗氮后白亮层硬度能超过750 MPa，渗层深度d也达到20 μm;过渡层硬度为300 ～600 MPa，渗层深度超过300 μm。

2.3 耐蚀性

图5是不同氮化工艺时渗氮试样的极化曲线，表1是与极化曲线有关的参数。

图5 不同分段渗氮工艺时氮化层的极化曲线Fig.5 Polarization curves of nitration case layer

表1 腐蚀参数Table 1 Corrosion parameters

从图5及表1数据可以看出，与未渗氮的原始试样相比，渗氮后试样的自腐蚀电位均增大，这意味着渗氮后样品的耐蚀性均得到改善。但采用三段渗氮样品的自腐蚀电位值最大，且为正值，表明该条件下氮化层极化度变大，腐蚀进行较困难;其次为一段渗氮，二段和四段渗氮样品的自腐蚀电位相对较小。此外，35CrMo钢渗氮后样品的自腐蚀电流均比未渗氮的要小，而利用三段渗氮样品的自腐蚀电流最小，二段渗氮的次之，一段和四段的偏大些。由此可见，采用三段渗氮工艺制备出的渗氮层具有较好的耐蚀性。钢渗氮后提高耐蚀性的原因，主要是渗氮层中形成了白亮层，但白亮层具有一定厚度(30 μm左右)，且结构致密[6]，才能保证良好的耐腐蚀性。由图2中的组织观察可知，35CrMo钢采用三段渗氮后其氮化层中白亮层最厚，且较致密，因而表现出较好的耐蚀性能。