稀土超飽和滲碳鋼30Cr4SiMnMoRe的研究

于 靜,劉艷明,李 豹

(1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西大同037003;2.山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司,山西大同037003)

近年來,國內(nèi)外材料科學(xué)工作者在超飽和滲碳技術(shù)方面進(jìn)行了廣泛的探討[1-4]。超飽和滲碳是使表面含碳量達(dá)到2%～3%的一種滲碳方法。經(jīng)過超飽和滲碳,在由馬氏體和殘余奧氏體構(gòu)成的基體上彌散分布著細(xì)小顆粒狀碳化物,從而使零件的表面獲得高的硬度、較好的回火穩(wěn)定性和良好的耐磨性、抗疲勞性能等。

20世紀(jì)80年代,我國科學(xué)工作者已經(jīng)廣泛進(jìn)行了將稀土元素加入滲劑應(yīng)用于化學(xué)熱處理方面的研究工作,發(fā)現(xiàn)滲劑中的稀土元素在化學(xué)熱處理過程中具有明顯的催化作用。但是這種方法需要從設(shè)備和操作等方面進(jìn)行改進(jìn),并且稀土滲劑會對設(shè)備產(chǎn)生一定的污染和腐蝕,因此在企業(yè)中普遍應(yīng)用有一定的難度。如果在冶煉時將稀土加入到鋼中,對其進(jìn)行超飽和滲碳,不僅可以避免稀土元素對設(shè)備的污染和腐蝕,同時還發(fā)揮了稀土在鋼中的作用。本課題組參照阿部等人的提議[5],利用經(jīng)驗(yàn)分子電子理論,在自行研制的35Cr3SiMnMoV鋼[6]的基礎(chǔ)上,通過調(diào)整合金元素的含量,并添加適當(dāng)?shù)南⊥?設(shè)計了一種新型稀土滲碳鋼-30Cr4SiMn?MoRe,對其進(jìn)行超飽和滲碳,研究碳化物對零件表面性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用鋼30Cr4SiMnMoRe在中頻感應(yīng)爐中熔煉,型號:GW-0.25-160/J-3,成分如表1所示。

表1 滲碳鋼的化學(xué)成分及質(zhì)量百分比/%

試樣毛坯經(jīng)鍛造后進(jìn)行880℃正火,得到細(xì)片狀珠光體和等軸狀的鐵素體組織。依照GB229-76和GB229-84,對30Cr4SiMnMoRe鋼正火后的試樣進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能檢測,結(jié)果見表2。

表2 30Cr4SiMnMoRe鋼的常規(guī)力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 滲碳試驗(yàn)

試驗(yàn)在RJJ-25-97滴注式氣體滲碳爐中進(jìn)行,滴注液體為丙酮和甲醇,混合比例2.3∶1,溫度、碳勢由WSB-3溫度、碳勢智能系統(tǒng)和DH-7氧探頭來測定、控制;采用純鐵箔片分析法對爐內(nèi)碳勢進(jìn)行校核。

1.2.2 金相分析

將淬火+回火后的試樣用4%的硝酸酒精腐蝕,用XJL-02A型光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察顯微組織,同時利用D/max-rB射線衍射分析儀進(jìn)行物相分析。

1.2.3 剝層試驗(yàn)

對Φ20 mm×120 mm的滲碳試棒剝層化學(xué)分析(每0.1 mm剝一層)來測定碳含量分布。

1.2.4 硬度測定

將滲碳淬火回火后的試樣,經(jīng)0#～6#砂紙打磨,經(jīng)P-2型金相試樣拋光機(jī)拋光,用M-400-H1顯微硬度機(jī)測量顯微硬度分布。間距為0.1 mm,載荷為0.1 kg,加載時間為10 s。

1.2.5 磨損試驗(yàn)

磨損試驗(yàn)在ML-10磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,加載荷3.1 kg,對磨材料為600#金相砂紙。式樣的端部與砂紙接觸,每走10.36 m,測量一次失重。

2 試驗(yàn)工藝及結(jié)果分析

2.1 超飽和滲碳工藝的改進(jìn)

30Cr4SiMnMoRe鋼超飽和滲碳工藝及與其對比的35Cr3SiMnMoV鋼常規(guī)滲碳工藝曲線見圖1。

圖1 2種鋼材超飽和滲碳工藝曲線

30Cr4SiMnMoRe鋼滲碳時碳勢由原來的Cp=1.1提高到Cp=1.25,強(qiáng)滲時間縮短了1 h,與常規(guī)的滲碳工藝相比,沒有擴(kuò)散期。這是因?yàn)?首先Mo元素含量的增加和稀土元素的加入都可以起到細(xì)化晶粒的作用,從而碳勢的提高不會造成滲層表面大塊網(wǎng)狀碳化物的形成;其次稀土元素具有促滲作用[7]。因此,采用較高的碳勢而且無擴(kuò)散期,將使現(xiàn)場操作更加簡便,從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 碳化物細(xì)小彌散的機(jī)理

超飽和滲碳層表層和次表層的顯微組織如圖2所示。經(jīng)分析表明:滲碳層組織均由回火馬氏體、殘留奧氏體和碳化物組成。組織中含有大量的粒狀碳化物,30Cr4SiMnMoRe鋼滲碳層中的碳化物顆粒極其細(xì)小,且分布彌散。機(jī)理分析①稀土元素的變質(zhì)作用:稀土通過在鋼液中復(fù)雜的物理化學(xué)過程,改變鋼的凝固過程和鑄態(tài)組織,與鋼液反應(yīng),形成微細(xì)質(zhì)點(diǎn),在凝固過程中促進(jìn)非自發(fā)形核,降低形核功,增大形核率。②稀土元素沿晶界的偏聚及晶內(nèi)晶格畸變:偏聚在晶界的稀土元素因降低了晶界能從而抑制碳化物沿晶界析出;晶內(nèi)的稀土元素引起晶格畸變從而增加了碳化物在晶內(nèi)的形核位置,有利于形成彌散、細(xì)小的碳化物。③含Mo的碳化物大多呈點(diǎn)狀、球狀和橢球狀,其原因有以下2個方面:一是鉬的碳化物具有較小的界面能;二是鉬的原子直徑為2.80,大于鐵的原子直徑2.54,所以鉬元素引起的晶格畸變,為碳化物的形核提供了有利條件。鉬的擴(kuò)散系數(shù)小和Mo的碳化物形核率提高,決定了鉬的碳化物具有較小的聚集長大傾向[8]。

圖2 30Cr4SiMnMoRe鋼超飽和滲碳層淬火+低溫回火組織

2.3 滲層深度和滲碳速度

圖3所示為30Cr4SiMnMoRe鋼和35Cr3SiMnMoV鋼的碳含量分布曲線。可以看出:30Cr4SiMnMoRe鋼表層碳含量最高達(dá)1.90%,比35Cr3SiMnMoV鋼略有增加,且碳濃度梯度平緩;30Cr4SiMnMoRe鋼的強(qiáng)滲時間比35Cr3SiMnMoV鋼縮短了1 h;但在同樣深度,30Cr4SiMnMoRe鋼碳濃度明顯高于35Cr3SiMnMoV鋼的碳濃度,從而可以說明滲碳速度有了明顯提高。分析原因:①M(fèi)o元素為強(qiáng)碳化物形成元素,這對提高滲層的碳濃度和滲層深度以及滲入速度都是有利的。②由于稀土原子與碳有較強(qiáng)的親和力,在這種較高的碳勢氣氛中,表面碳含量很快達(dá)到飽和。這樣,氣團(tuán)上碳的濃度高,而鋼內(nèi)層碳的濃度低,產(chǎn)生了濃度梯度,加上鋼內(nèi)層稀土的進(jìn)一步吸引,使得碳原子向內(nèi)部擴(kuò)散的速度加快[9]。另外鋼中稀土原子與周圍碳原子相互作用,使其附近的碳濃度較高,從而促進(jìn)了碳化物的形成。③冶煉過程中加入稀土,可起到細(xì)化晶粒的作用,即晶界總面積增加,從而增加碳原子沿晶界的擴(kuò)散。④稀土元素的原子半徑約為鐵原子半徑的1.5倍,固溶于鋼中的稀土使周圍的鐵原子產(chǎn)生晶格畸變,有利于間隙中的碳原子沿畸變區(qū)由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)躍遷,使擴(kuò)散加快。

圖3 超飽和滲碳層碳濃度分布

2.4 XRD衍射分析

試樣在(920±5)℃ 滲碳保溫7 h,可以認(rèn)為這時的Mo大部分被碳化物所固定,且通過衍射分析可得知主要生成為Mo2C,見圖4。滲碳過程用Fe-Cr-C狀態(tài)圖的950℃等溫截面[10]來分析,結(jié)果表明鋼中鉻含量為4%,表層處于γ+M7C3+M3C三相區(qū)內(nèi),通過衍射分析可知主要的鉻化物為(Fe,Cr)C,見圖4。

圖4 30Cr4SiMnMoRe鋼的滲碳層XRD

2.5 力學(xué)性能檢測

2.5.1 顯微硬度

如圖5所示,自行研制的超飽和滲碳鋼與常規(guī)滲碳鋼相比,基體顯微硬度有了很大的提高。30Cr4SiMnMoRe鋼超飽和滲碳層的顯微硬度在距離表面同等深度處高于35Cr3SiMnMoV鋼,在距離表面20 089 μm高達(dá)HV0.11 057;表面硬度比35Cr3SiMnMoV鋼提高了25%,且隨著表面距離的增加硬度下降地很緩慢。原因分析:①稀土元素的滲入增大了滲層中的位錯密度且滲碳層中合金碳化物的數(shù)量增多并使其分布更彌散,從而導(dǎo)致稀土滲碳層顯微硬度略有增加以及硬度梯度變緩;②Mo2C這種特殊碳化物熔點(diǎn)高、硬度高、穩(wěn)定性高,加熱時很難溶于奧氏體中,當(dāng)它們以細(xì)小質(zhì)點(diǎn)分布在鋼中時,能有效地提高鋼的強(qiáng)度和硬度。

圖5 滲碳層硬度分布曲線

2.5.2 耐磨性

由圖6可以看出,在載荷、介質(zhì)、相對速度和行程都相同的情況下,自行研制的鋼與常規(guī)剛相比,耐磨性有了很大的提高;且30Cr4SiMnMoRe鋼的質(zhì)量損失小于35Cr3SiMnMoV鋼,耐磨性好。原因如下:①稀土元素的添加,使得非金屬量減少,回火后碳化物顆粒細(xì)化且分布均勻,馬氏體針細(xì)小,從而使耐磨性有所提高;②鉬元素含量的提高,可提高滲碳層殘余壓應(yīng)力,從而使其耐磨性提高。

圖6 磨損特性曲線

3 結(jié)論

1)30Cr4SiMnMoRe含有適量的強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo以及非碳化物形成元素Si,滿足超飽和滲碳的成分要求。與35Cr3SiMnMoV鋼相比,經(jīng)滲碳、淬火加低溫回火后,超飽和滲碳層的碳化物顆粒更加細(xì)小,且彌散分布。

2)鋼中加入稀土元素以及適量的鉬,經(jīng)超飽和滲碳,可以使?jié)B碳層表面的碳含量增加,且滲碳速度和滲層深度都有顯著的提高。這是由于鉬元素為強(qiáng)碳化物形成元素且稀土具有很強(qiáng)的促滲作用。

3)30Cr4SiMoRe鋼經(jīng)過滲碳淬火 +低溫回火處理后,最大硬度可達(dá)到HV0.11 057;表面硬度達(dá)到了HV0.1917,與35Cr3SiMnMoV鋼相比,其表層的顯微硬度提高了約25%。稀土元素的添加,對超飽和滲碳鋼表面的抗高溫氧化性有很大改善。與普通滲碳鋼相比,耐磨性提高了60%。

[1]內(nèi)滕武志.高濃度滲碳技術(shù)[J].熱處理,1999,24(9):12-14.

[2]郝士明.內(nèi)氧化型滲碳(CD)的應(yīng)用及機(jī)理[J].東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,1983,3(3):21-30.

[3]王志,賀彭,王金忠.高濃度滲碳的研究[J].金屬熱處理,1986(6):35.

[4]陳萼.鋼的不均勻奧氏體滲碳的研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1982,10(3):111-119.

[5]Kern R.過度滲碳法[J].熱處理技術(shù)與裝備,1987(6):32-35.

[6]石巨巖,田曉青,張丙靜,等.一種超飽和滲碳鋼:中國.200710062035.8[P],2009-02-25.

[7]袁澤喜,余宗森.鋼中稀土對表面滲碳的促進(jìn)作用[J].中國稀土學(xué)報,1999,17(1):42-45.

[8]趙麥群.鉬對滲碳過程中碳化物形態(tài)的影響[J].熱加工工藝,1997(5):3-6.

[9]謝飛,馬寶鈿.鋼中稀土對化學(xué)熱處理的影響與作用機(jī)理[J].稀有金屬材料與工程,1997(1):52-55.

[10]張丙靜.20Cr鋼超飽和滲碳工藝優(yōu)化及一種新型超飽和滲碳鋼的研究[D].太原:太原理工大學(xué),2007.

[11]李鐵潘.金屬高溫氧化和熱腐蝕[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.