35CrMo鋼罐裝法多段滲氮滲層組織與耐蝕性能

于玉城， 王振玲， 王振廷

(黑龍江科技學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

0 引言

研究表明，罐裝法滲氮具有經(jīng)濟(jì)、快速和設(shè)備簡單的特點[1]。但如何在短時間內(nèi)制備出優(yōu)質(zhì)的滲氮層，仍然是需要繼續(xù)探討的課題。鋼的滲氮過程包括氮化介質(zhì)(氨氣)的分解、活性氮原子被工件表面吸收和氮原子向鋼件內(nèi)部擴(kuò)散三個過程。為加速滲氮效率，可在不同的滲氮階段調(diào)整溫度和保溫時間來獲得最佳的滲氮效果，即采用多段滲氮工藝[2－5]。35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，有很高的靜力強(qiáng)度、沖擊韌性及較高的疲勞極限，淬透性較40Cr高，高溫下有高的蠕變強(qiáng)度與持久強(qiáng)度，長期工作溫度可達(dá)500℃，主要用于制造承受沖擊、彎扭、高載荷的各種機(jī)器中的重要零件，如軋鋼機(jī)人字齒輪、曲軸、錘桿、連桿、汽輪發(fā)動機(jī)主軸等。文中以尿素做滲氮劑采用罐裝法對35CrMo鋼進(jìn)行滲氮，來探討多段滲氮工藝對滲氮層組織和耐蝕性能的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為35CrMo鋼，滲氮前35CrMo鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，850℃ ×30 min(水淬)+550℃ ×40 min(高溫回火)，以獲得良好的綜合性能。滲氮試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，耐蝕實驗的試樣尺寸為Ф15 mm×3 mm。滲氮前將樣品表面用細(xì)砂紙打磨光滑，然后用丙酮擦洗進(jìn)行除油。滲氮劑選用尿素，催滲劑為NH4Cl，其加入比例為2%。

1.2 實驗設(shè)備及工藝

將樣品和滲氮劑放入鋼罐中并密封，然后將鋼罐放進(jìn)電阻爐中進(jìn)行加熱滲氮。具體的多段滲氮工藝如圖1所示，滲氮總的時間均為6 h。

1.3 測試分析方法

滲氮層的顯微組織采用XJP－3A型金相顯微鏡進(jìn)行觀察。滲層的物相分析在Rigaku D/max－RB型X射線衍射儀上進(jìn)行。顯微硬度利用MHV2000數(shù)顯顯微硬度計進(jìn)行測試。利用CHl660B型電化學(xué)工作站測試在3.5%的NaCl溶液中滲氮試樣的極化曲線，輔助電極為碳棒，參比電極為飽和的甘汞電極。

圖1 35CrMo鋼多段滲氮工藝Fig.1 Process drawing of multiple-stage nitriding of 35CrMo steel

2 結(jié)果與討論

2.1 滲氮層組織

圖2 不同工藝條件下的滲氮層組織Fig.2 Microstructure of nitriding layer under different nitriding technology

圖2為35CrMo鋼采用不同的階段滲氮工藝制備出的滲氮層組織。從圖2中可以看出，采用三段滲氮工藝，獲得的滲氮層厚度值最大，且滲氮層連續(xù)性較好。采用二段和四段工藝獲取的滲氮層厚度次之，一段滲氮工藝制出的滲氮層厚度最薄。這表明三段氮化工藝比較符合密封罐法滲氮規(guī)律。對該工藝條件下制備出的滲氮層進(jìn)行X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)滲氮層主要由Fe-Cr相和Fe3N相組成，如圖3所示。由圖2可以看出，采用三段滲氮工藝制備出的滲層較厚，連續(xù)性較好。分析認(rèn)為:在520℃滲氮3 h后，鋼表面形成一定厚度的滲層后，滲速快慢主要靠氮原子在鋼中的擴(kuò)散速度來決定，而決定擴(kuò)散速度的主要因素是溫度。此時將滲氮溫度提高到600℃，可以有效提高氮原子在滲件表面的擴(kuò)散速度。但同時長時間高溫滲氮，會使鋼表層和心部的組織粗大，硬度下降，氮化后滲件力學(xué)性能下降。因此，鋼氮化溫度在高溫(600℃)保溫一定時間后，再降至低溫(520℃)，既提高了滲氮速度，提高表面耐蝕性，同時又保證了氮化件的綜合性能。

圖3 三段滲氮工藝35CrMo鋼氮化層的X射線衍射譜Fig.3 X-Ray pattern of nitriding layer of 35CrMo obtained by three-multiple-stage technology

2.2 顯微硬度

圖4為35CrMo鋼采用不同階段滲氮工藝時氮化層的顯微硬度分布。從圖4發(fā)現(xiàn)，與一段滲氮工藝相比，采用多段滲氮后其滲氮層的顯微硬度均有一定增加，其中采用三段滲氮工藝獲得的滲層的整體硬度值最高，采用兩段和四段工藝的滲氮層硬度值次之。這與不同工藝條件的滲氮層厚度的變化趨勢相一致，說明滲氮層較厚，相應(yīng)其硬度值也較高一些。

圖4 35CrMo鋼從氮化層表面到基體的硬度分布曲線Fig.4 Hardness distribution curves of nitriding of 35CrMo steel from surface to matrix of different multiple-stage nitriding

另外從圖4中還可以看出，35CrMo鋼基體硬度為364 MPa，經(jīng)過多段滲氮后白亮層硬度能超過750 MPa，滲層深度d也達(dá)到20 μm;過渡層硬度為300 ～600 MPa，滲層深度超過300 μm。

2.3 耐蝕性

圖5是不同氮化工藝時滲氮試樣的極化曲線，表1是與極化曲線有關(guān)的參數(shù)。

圖5 不同分段滲氮工藝時氮化層的極化曲線Fig.5 Polarization curves of nitration case layer

表1 腐蝕參數(shù)Table 1 Corrosion parameters

從圖5及表1數(shù)據(jù)可以看出，與未滲氮的原始試樣相比，滲氮后試樣的自腐蝕電位均增大，這意味著滲氮后樣品的耐蝕性均得到改善。但采用三段滲氮樣品的自腐蝕電位值最大，且為正值，表明該條件下氮化層極化度變大，腐蝕進(jìn)行較困難;其次為一段滲氮，二段和四段滲氮樣品的自腐蝕電位相對較小。此外，35CrMo鋼滲氮后樣品的自腐蝕電流均比未滲氮的要小，而利用三段滲氮樣品的自腐蝕電流最小，二段滲氮的次之，一段和四段的偏大些。由此可見，采用三段滲氮工藝制備出的滲氮層具有較好的耐蝕性。鋼滲氮后提高耐蝕性的原因，主要是滲氮層中形成了白亮層，但白亮層具有一定厚度(30 μm左右)，且結(jié)構(gòu)致密[6]，才能保證良好的耐腐蝕性。由圖2中的組織觀察可知，35CrMo鋼采用三段滲氮后其氮化層中白亮層最厚，且較致密，因而表現(xiàn)出較好的耐蝕性能。

3 結(jié)束語

以尿素為滲氮劑，采用密封罐法對35CrMo鋼進(jìn)行分段滲氮。當(dāng)采用三段滲氮工藝(520℃×3 h+600℃ ×2 h+520℃ ×1 h)時，所制備的較優(yōu)質(zhì)的滲氮層，具有良好的耐蝕性。該工藝具有一定的理論和實踐意義。

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