经渗氮和激光淬火复合改性的钢材在输水洞钢衬中的应用研究

陈曦桐，任守德

(黑龙江省防汛抗旱保障中心，黑龙江 哈尔滨 150001)

1 概 述

水利工程中有压输水隧洞的进出口段往往需要增加钢衬来保证工程安全。钢衬可承受较大的内部水压力，可消除混凝土裂缝导致的内外渗水，能够提高输水效率，并且避免输水洞进出口段的水工建筑物失稳情况发生。基于安全性的考虑，输水洞中的钢衬需要有较高的硬度、耐腐蚀、耐磨损等性能，所以，可以对钢衬进行优化设计，以提高其性能及使用寿命。考虑到钢衬处理的成本问题，可采用表面工程处理方法对钢材进行改性研究。有研究表明，钢材经过等离子体渗氮后，表面硬度提高；钢材经过激光淬火后，表面活性增大，表面硬度可大幅提高，并且可提高耐腐蚀性及耐磨性[1-3]。作者采用渗氮和激光淬火复合改性的方法对钢衬进行处理。

2 试验方法

选取30CrMnSi调质态钢作为试验材料，对其进行500 ℃渗氮动力学试验(N∶H=3∶1，保温时间分别为2 h、4 h、8 h和16 h)，渗氮设备为自制等离子体多元共渗装置，装置简图如图1所示。渗氮处理后，再次对钢材进行激光淬火处理，激光加热成套设备如图2所示。

图1 自制等离子体多元共渗装置系统简图

图2 激光加热成套设备

分别对调质态、经渗氮处理、经渗氮加激光复合处理的钢材进行测试。测试的流程为：(1)将钢材试样用砂纸研磨并用抛光机进行抛光处理。(2)采用HV-1000型维氏显微硬度计对试样的表面及截面进行显微硬度测试，加载载荷100 g，加载时间20 s。(3)配置腐蚀剂(成分：苦味酸、丙酮、水)，对部分钢材试样进行表面腐蚀，用显微镜观察晶粒的腐蚀情况。(4)对部分钢材试样进行XRD图谱分析，分析相含量。(5)对钢材试样进行摩擦磨损性能测试，测量磨损失重，并作出摩擦系数变化分析。

3 试验结果分析

3.1 硬度测试

500 ℃渗氮动力学及经扫描速率为15 mm/s的激光淬火工艺改性后的试样显微硬度分布曲线如图3所示。由图3可知，调质态的钢材硬度较低，经过渗氮处理的钢材表明硬度得到提高，经过渗氮加激光复合处理的钢材硬化层变厚，比仅经过渗氮处理的钢材优化效果显著。原因分析：渗氮处理时，氮原子的渗入使得钢材表面部分的晶格发生畸变，使得材料硬化；当进行激光扫描时，受高温影响，氮原子可以进一步向钢材内部扩散，导致改性层变厚。

图3 500 ℃渗氮及经激光淬火改性后的试样显微硬度曲线

3.2 耐腐蚀性测试

钢材晶粒的大小与耐腐蚀性能息息相关。当钢材的晶粒细化时，可以有效改善钢材的性能，提高钢材的耐腐蚀性。用腐蚀剂分别对调质态钢材、500 ℃经16 h渗氮的钢材试样及渗氮加激光复合处理(激光处理扫描速度为15 mm/s)钢材进行腐蚀处理，用显微镜观察晶粒大小的变化情况，腐蚀结果如图4所示。《金属平均晶粒度测定方法》(GB /T 6394—2017)国家标准规定，可以采用截线法对合金晶粒大小进行定量分析。

图4 渗氮、渗氮激光、调质态工艺晶粒腐蚀情况

在图4(a)、图4(b)、图4(c)中分别画出三条直线，以测量在单位长度内的晶粒个数，并取平均值。晶粒度计算方法[4]如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

经过激光淬火后的试样晶粒变小，具体计算结果如表1所示。由表1可知，500 ℃16 h渗氮试样和调质态试样的晶粒平均直径分别是13.946×10-4mm和13.408×10-4mm，而激光改性试样的晶粒直径为8.721×10-4mm，晶粒变小，原因是在激光快速加热和冷却的过程中，达到相变点温度，材料重结晶，晶粒来不及长大，导致晶粒细化。细化的晶粒有助于提高材料耐腐蚀性，可以有效地改善材料的性能。

表1 不同工艺晶粒度等级

3.3 XRD测试

选取500 ℃经8 h的渗氮试样，进行扫描速率为10 mm/s及20 mm/s的激光淬火，用XRD方法分析图谱。XRD图谱如图5所示，使用Jade6.5软件分析相含量，分析结果如表2所示。

由XRD图谱可以看出，500 ℃ 8 h渗氮试样经过激光改性后，衍射峰宽化程度升高，表明了晶格畸变变小，晶格内氮原子变少，氮原子进一步向心部扩散，使渗层增厚。另外，有研究报导，Fe3O4具有防锈功能，Fe3O4的增加也是复合改性后改性层耐腐蚀性能提高的一个因素。

3.4 摩擦磨损性能测试

图6为渗氮和激光复合改性后摩擦系数变化曲线。由图6中可以发现较调质态和渗氮试样，经渗氮激光复合处理后试样的摩擦系数显著降低。由于摩擦系数越小，在相同载荷的作用下产生的摩擦力就越小，有利于提高材料的耐磨性。因此，可以推断渗氮激光复合处理后试样的耐磨性得到了提高。

为了进一步评价材料的耐磨性，采用FA2204B型电子天平测量了磨损前后的试样质量，得到磨损失重，见表3所示。由表3可知，调质态试样磨损最严重，磨损量为0.0015 g，渗氮试样平均磨损量为0.0007 g，渗氮激光复合改性试样耐磨性最好，平均磨损量为0.0002 g。所以，复合改性工艺可提高钢材的耐磨性。

表2 500 ℃ 8 h的试样渗氮及复合改性的相含量分析

4 结 论

通过渗氮加激光淬火的复合改性试验，30CrMnSi钢材在硬度、改性层厚度、耐腐蚀性能、耐摩擦性能方面得到了改善。主要得到以下几个结论：

(1)30CrMnSi钢渗氮激光复合改性后改性层厚度、组织结构演变规律：与渗氮相比，改性层厚度增加、晶粒细化、衍射峰宽化程度升高。

(2)500 ℃16 h的渗氮试样经过扫描速率为15 mm/s的激光改性后硬度曲线最佳。证实了激光复合改性工艺可以使钢材表面的氮元素进行反扩散。

(3)经过复合改性的钢材晶粒得到细化，耐腐蚀性提高。

(4)摩擦磨损结果表明:经过渗氮和激光复核处理的试样的摩擦系数低于渗氮试样，且磨掉的质量小于渗氮试样，更远小于调质态试样。试验结果符合水工中有压输水隧洞的进出口段对钢衬的性能要求，并且与传统工艺相比，优势明显。