抛丸预处理对45钢气体渗碳效率及渗层特性的影响

2022-11-29顾晓文严韶云

金属热处理 2022年11期

曹培，顾晓文，严韶云

(上海上大热处理有限公司，上海 201800)

渗碳淬火是提高材料表面强度的重要途径[1-2]。渗碳过程分为3个阶段:渗碳剂分解、碳原子吸收、碳原子扩散。目前较为常见的渗碳工艺：气体渗碳[3]、固体渗碳[4]、液体渗碳[5]等，其中较为广泛应用的是气体渗碳工艺，但气体渗碳时间较长，成本较高，为此如何提高渗碳效率成为技术人员的关注点，若采用一些机械加工手段，提高材料表面活性或者增加材料表面吸附面积，可能会提高渗碳速度，缩短工艺时间，降低成本。已有的研究表明，对材料表面进行机械研磨或微变形加工可以改变材料微观结构及表面形貌[6-8]。抛丸作为一种便捷的材料表面微变形处理方法，是利用高速运动的钢丸冲击材料表面使其表层发生塑性变形，以此来改变材料表面形貌及微观结构，促使表层晶粒细化、位错密度增加、晶格畸变增大[9]。45钢是一种加工性能及使用性能良好的中碳结构钢，且价格便宜，原材料广泛，所以能够大量运用于生产；多数45钢材料经过调质后进行高频淬火可以获得高硬度、高强度、高耐磨性的表面。本文以45钢为研究对象，研究了抛丸预处理对气体渗碳效率及渗层特性的影响，旨在为广大技术人员及生产厂家提高材料渗碳效率且不影响性能提供参考。

1 试验材料与方法

试验采用轧制态45钢棒，其化学成分(质量分数，%，下同)为0.42～0.50C、0.17～0.37Si、0.5～0.8Mn、≤0.25Cr、≤0.25Ni。采用线切割方法加工45钢试样，试样尺寸为φ10 mm×10 mm，试样切割后置于无水乙醇中超声波清洗10 min，采用240、600、1000目砂纸对试样进行逐级打磨，清洗烘干后进行抛丸预处理。抛丸处理工艺条件：钢丸直径φ0.4 mm，抛丸速度分别为30、45、60 m/s，抛丸时间为5 min。

抛丸结束后，将未抛丸试样和不同抛丸速度的试样放入气体渗碳炉中进行渗碳，具体工艺为升温到930 ℃，均温30 min，保持0.7%碳势，然后升高碳势至1%进行100 min强渗碳，再降低碳势到0.8%进行60 min 扩散，随后炉冷至850 ℃，保温30 min进行淬火；最后进行180 ℃回火，保温120 min后出炉空冷。

采用Lab.A1光学显微镜对试样表面形貌及渗层显微组织进行观察；采用HXD-1000型显微硬度计测量硬度，载荷砝码为300 g、保压时间为15 s，每个试样打3个点，取平均值，由截面硬度曲线计算渗碳层深，渗碳层深为硬度550 HV0.3处到表面的距离。同时，采用显微镜观察显微硬度测试后压痕的周围开裂程度，判断渗层相对脆性，载荷砝码为10 kg，保压时间为15 s。

2 试验结果与分析

2.1 表面形貌分析

图1为未抛丸与不同速度抛丸后试样的表面形貌。由图1可知，相较于未抛丸预处理的试样，抛丸处理试样表面由平整状态变为沟壑状态、凹凸不平，且随着抛丸速度的增加，试样表面沟壑加深，表面成像由平整清晰逐渐模糊化。由此表明，抛丸处理后试样表面粗糙度明显增大，随着抛丸速度的增加，情况尤为明显，这有利于渗碳过程中更多活性碳原子吸附在表面，从而有效提高气体渗碳效率。

2.2 显微组织分析

图2为未抛丸与抛丸渗碳试样截面显微组织。由图2可知，经过抛丸预处理的渗碳试样表层为隐针高碳马氏体，随着抛丸速度的增加，马氏体更加细小且分布均匀；显微组织由表及里出现黑色组织，随着抛丸速度的增加，黑色组织减少。在显微镜500倍下进行观察，黑色组织为低碳马氏体，如图3所示。表面显微组织的变化可能来源于抛丸预处理改变了材料表面状态和微观结构，更有利于活性碳原子的吸附和扩散。

图3 未抛丸试样渗碳后渗层的显微组织Fig.3 Microstructure of the infiltration layer of specimen without shot blasting after carburizing

2.3 硬度分析

图4为渗碳试样表面硬度曲线图。由图4可知，未抛丸试样渗碳后表面硬度为729 HV0.3，以30 m/s速度进行抛丸渗碳后试样表面硬度为809 HV0.3，以45 m/s速度进行抛丸渗碳后试样表面硬度为834 HV0.3，以60 m/s速度进行抛丸渗碳后试样表面硬度为839 HV0.3；相较于未抛丸试样渗碳后表面硬度分别提高11%、14.4%、15.1%。经过抛丸后渗碳试样表面硬度均有提高，随着抛丸速度增加，表面硬度增加趋势减缓。

图4 不同抛丸速度下渗碳试样的表面硬度Fig.4 Surface hardness of the carburized specimens at different shot blasting speeds

图5为渗碳试样截面梯度硬度曲线。由图5可知，渗碳试样截面硬度梯度由表及里均逐渐降低，相较于未抛丸渗碳试样，抛丸处理渗碳试样的截面显微硬度明显提高，且硬度梯度更为平缓，这与截面显微组织相对应；距表面0.5 mm处为临界点，表面至0.5 mm 处硬度梯度随抛丸速度增加而升高，0.5 mm后截面硬度梯度趋于一致。根据有效硬化层深以硬度为550 HV0.3处距表面的距离为基的准则，测量得出，未抛丸预处理的渗碳试样的有效硬化层深为0.994 mm，以30 m/s 抛丸速度处理的渗碳试样有效硬化层深为1.383 mm，以45 m/s抛丸速度处理的渗碳试样有效硬化层深为1.451 mm，以60 m/s抛丸速度处理的渗碳试样有效硬化层深为1.486 mm，相较于未抛丸渗碳试样，有效硬化层深分别提高39.1%、45.9%、49.4%，即随着抛丸速度的增加，相同时间内，抛丸预处理可使渗碳效率提高39%以上。

图5 不同抛丸速度下预处理渗碳试样的硬度梯度Fig.5 Hardness gradient of the pretreated carburized specimens at different shot blasting speeds

2.4 渗碳表面大载荷压痕

图6为渗碳试样打磨后表面硬度压痕形貌。未抛丸渗碳试样表面经受10 kg载荷加压后，压痕边缘出现小裂纹，经过抛丸预处理渗碳试样的压痕边缘均未出现小裂纹，由此可知，抛丸预处理可以降低气体渗碳层的脆性，这与抛丸渗碳试样的截面梯度硬度更平缓相对应。

图6 不同抛丸速度下渗碳试样的表面硬度压痕形貌(a)未抛丸;(b)30 m/s;(c)45 m/s;(d)60 m/sFig.6 Surface hardness indentation morphologies of the carburized specimens at different shot blasting speeds(a) without shot blasting; (b) 30 m/s; (c) 45 m/s; (d) 60 m/s

2.5 讨论

由前述各项分析可知，试样经抛丸预处理后再进行气体渗碳可明显提高表面硬度，且由表及里的硬度梯度下降更为平缓，渗碳层脆性降低，有效硬化层深度明显增加，渗碳效率提升39%以上。

结合图1～图6可知，抛丸预处理使试样表面粗糙度增大，由平整变为沟壑状态，这有利于渗碳过程中更多活性碳原子吸附在表面，短时间内聚集足够多活性碳原子，形成碳浓度差，且抛丸促使材料表层发生塑性变形，表层晶粒细化、位错密度增加、晶格畸变增大，形成大量的晶体缺陷，这些晶体缺陷就是材料内部的“高速公路”，使活性碳原子向内部扩散更快更深。从材料学基础理论可知，活性碳原子沿着晶体缺陷的扩散速度远远大于体扩散速度[10]。因此，抛丸预处理有利于促进活性碳原子在材料表面吸附及向内扩散，从而提高气体渗碳效率。