38Cr Mo Al钢经不同工艺热处理后的性能研究

段彩红

(四川省工业环境监测研究院,四川省冶金产品质量监督检验站,四川成都610041)

38Cr Mo Al钢经不同工艺热处理后的性能研究

段彩红

(四川省工业环境监测研究院,四川省冶金产品质量监督检验站,四川成都610041)

采用38Cr Mo Al钢,对其进行了单一氮碳共渗处理和氮碳共渗加淬火复合处理,通过对比分析的方法,研究了两种不同热处理工艺后的金相组织、拉伸性能、摩擦磨损、硬度和冲击性能。研究结果表明:单一氮碳共渗处理后的金相组织为三层:化合物层+过渡区+基体。氮碳共渗+淬火复合处理后的金相组织为两层:含氮马氏体+板条马氏体;与单一氮碳共渗处理相比,氮碳共渗加淬火复合处理后零件的抗拉强度、耐磨性、整体硬度都得到不同程度的提高;经复合处理的试样,硬化层深度大于单一氮碳共渗处理的试样,且其硬度梯度过渡比单一氮碳共渗处理的平缓;两种不同工艺处理的试样其冲击吸收功没有明显差别。

热处理;氮碳共渗加淬火;性能

1 引言

氮碳共渗热处理已经在生产中被广泛应用,然而由于氮碳共渗渗层较薄,有效硬化层深度浅,不宜在重载条件下工作,其应用范围受到一定的限制,与其相结合的复合处理是推动氮碳共渗工艺不断发展的有效途径。以38Cr Mo Al钢为例,研究了单一氮碳共渗和氮碳共渗加淬火复合处理两种工艺处理后的金相组织、拉伸性能、摩擦磨损、硬度和冲击性能。以期对实际应用中不同工作条件下的工件,根据所需性能找到相应的工艺方案,使其能够更好地指导生产。

2 实验过程

试验材料为38Cr Mo Al钢原始调质态。在研究时,对试样进行了单一氮碳共渗处理和氮碳共渗+淬火复合处理,处理工艺见表1。

采用金相显微镜观察显微组织,并测量表面层的厚度;用WJ-10A型机械式万能试验机测定拉伸性能;用M-2000型磨损试验机测定200N载荷下的摩擦磨损性能;用FM -100微小硬度计测定显微维氏硬度;用JB -30B型冲击试验机测定-20℃时的冲击吸收功。

表1 热处理工艺

3 结果和讨论

3.1 金相分析及结果

由图1和2可以看到复合处理处理后得到两层组织:含氮马氏体+板条马氏体;表层的黑色条带组织为细小的含氮马氏体,厚度δ=0.20mm～0.25mm;心部组织为不含氮的板条马氏体+未溶铁素体。单一处理处理后得到三层组织:白亮层+过渡区+回火索氏体,白亮层厚度δ=8μm～10μm;沿白亮层内侧,有脉状组织形成;过渡区为黑色块状和白色块状组织,厚度δ=0.08mm～0.12mm;基体为原始回火索氏体组织。

图1 复合处理

图2 单一处理

在氮碳共渗过程中,氮碳原子首先溶入α-Fe中,形成α相,当氮浓度达到α-Fe的饱和浓度后,便与氮化物形成元素Cr、Al、Mo发生作用,形成Al N、Mo N、Cr N等含碳氮化物,最后形成铁的氮化物;继续氮碳共渗,α相转变为γ’相;再继续氮碳共渗,γ’相转变为ε相。由于表面的氮浓度高,因此形成的是ε相,其抗蚀性很好,在金相显微镜下为一个白亮层;过渡区的氮浓度较低,形成固溶体;由于氮碳共渗之后采用水冷,因此可以判定白色块状组织为含氮马氏体;心部组织为原始的回火索氏体组织。氮碳共渗+淬火复合处理后得到两层组织,与单一氮碳共渗工艺相比,白亮层消失,出现黑色条带区域,其宽度远大于白亮层。这是因为在氮碳共渗后重新加热的过程中,共渗层中的氮碳化合物发生分解,表面层氮原子损失掉一部分,一部分氮原子向内扩散溶入奥氏体晶格内,在随后冷却时形成了细小的含氮马氏体,它比单纯淬火后不含氮的马氏体要细得多。

3.2 拉伸性能结果与分析

从拉伸试验结果(见表2)可见, 38Cr Mo Al材料单一氮碳共渗处理后呈现明显的塑性,经氮碳共渗+淬火复合处理后呈现明显的脆性;复合处理后抗拉强度比单一氮碳共渗处理提高很多,但延伸率降低很多。

表2 拉伸试验结果

3.3 摩擦磨损性能结果与分析

摩擦磨损试验结果见表3和图3,结果显示,经复合处理的试样耐磨性比单一氮碳共渗的好。

表3 摩擦磨损试验结果

图3 复合处理、单一处理摩擦磨损曲线

3.4 硬度检测结果与分析

由图4可见,试样经复合处理处理后,最高硬度可达786Hv0.3,最高硬度出现在距表面0.06mm左右的位置;表面硬度达734 Hv0.3;从表面往里硬度不断提高,到达最高值之后逐渐开始降低,最后硬度值基本保持稳定;心部硬度为550Hv0.3左右;硬化层深度约为0.25mm。由图5可见,经单一处理处理的试样,最高硬度可达940Hv0.3,位于试样表面;从表面往里,在距表面小于0.02mm处,硬度值开始迅速降低,在距表面0.3mm处,硬度降到220Hv0.3左右,随后硬度值基本保持不变;硬化层深度约为0.20mm。

对比硬度检验结果,单一氮碳共渗工艺处理的试样表面硬度最高,而复合处理过的试样硬度最高值位于次表层,出现硬度值“低头”现象;复合处理过的试样,硬化层深度大于单一氮碳共渗处理的试样;复合处理试样硬度最高值低于单一氮碳共渗处理的试样,而心部硬度远高于单一氮碳共渗工艺处理的试样;复合处理试样硬度梯度过渡比单一氮碳共渗的平缓。

复合处理后硬度值出现“低头”现象的原因分析:在加热淬火过程中,化合物层分解,表面层氮原子损失掉一部分,一部分氮原子向内扩散,导致表面的氮浓度降低,含氮量的峰值向内层移动,因而表面硬度略低于次表层硬度,出现硬度值“低头”现象。?

图4 复合处理 显微硬度曲线

图5 单一处理 显微硬度曲线

3.5 冲击试验结果与分析

冲击试验结果(见表4)显示,不同工艺处理的试样其冲击吸收功没有明显差别。

表4 冲击试验结果

4 结论

对38Cr Mo Al钢进行了单一氮碳共渗处理和氮碳共渗加淬火复合处理,通过对比分析的方法,研究了两种不同热处理工艺后的金相组织、拉伸性能、摩擦磨损、硬度和冲击性能,得出以下结论:

(1)单一氮碳共渗处理后的金相组织为三层:化合物层+过渡区+基体。氮碳共渗+淬火复合处理后的金相组织为两层:含氮马氏体+板条马氏体。

(2)38Cr Mo Al材料单一氮碳共渗处理后呈现明显的塑性,经氮碳共渗+淬火复合处理后呈现明显的脆性;复合处理后抗拉强度比单一氮碳共渗处理提高很多,延伸率下降很多。

(3)复合处理的试样耐磨性比单一氮碳共渗处理的好。

(4)复合处理的试样,硬化层深度大于单一氮碳共渗处理的试样;复合处理试样硬度梯度过渡比单一氮碳共渗的平缓。

(5)两种不同工艺处理的试样其冲击吸收功没有明显差别。

[1] 罗德福,李惠友.QPQ技术的现状和展望[J].金属热处理,2004,29(1):39-43.

[2] 王吉会,房大然,张琨.38Cr Mo Al A、40Cr钢经不同渗氮工艺处理后的性能研究[J].金属热处理,2003,28(7):20-23.

Properties of 38Cr MoAl Steel after Different Heat Treatment Processes

DUAN Cai-hong
(Sichuan Province Academy of Industrial Environmental Monitoring,Sichuan ProvinceInstitute of Metallurgical Product Quality Supervision and Inspection,Chengdu 610041,Sichuan,China)

Properties of 38Cr Mo Al steel treated by two different processes of nitrocarburizing and nitrocarburizing-quenching are studied in a compared way in this paper.Metallographic structure,tensile property,wear,hardness and impct energy of the samples are examined.The results show that the microstructure of single nitrocarburizing treatment reveals three layers: compound layer+diffusion layer+base.While the microstructure of the composite treatment reveals two layers:nitrogen contained martensite+lath martensite.The tensile strength,wear resistance and bulk hardness of nitrocarburizing-quenching composite process increased in different degree as compared with the single nitrocarburizing process.The nitrocarburizingquenching process is better than the single nitrocarburizing process for improving the hardening depth.There were no significant differences of impct energy between the two different processes. Key words:Heat treatment;nitrocarburizing-quenching;properties

TG156.82

:A

1001-5108(2015)05-0050-04

段彩红,工程师,主要从事冶金产品质量检验方面的工作。