新型Cr-Mo-V滲氮鋼的力學(xué)性能及滲氮特性

廖建雄， 閔永安， 黃澤民， 李 陽

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200072;2.上海寶山鋼鐵股份有限公司特殊鋼事業(yè)部，上海200940)

滲氮鋼是一種結(jié)合了表面高硬度、耐磨性與心部高強韌性的材料.目前，世界各國都在積極發(fā)展專用滲氮鋼，僅歐洲就有9種［1］，以滿足諸如燃油噴射器偶件、內(nèi)燃機曲軸、汽缸套和氣閥、鏜床主軸和主軸套、精密齒輪、精密機床絲桿等更高的使用要求［2-4］.氮化前的調(diào)質(zhì)處理，可使?jié)B氮鋼心部具有相當好的強韌性組合，而且與其他許多強化層不同，高硬度的滲氮層與基體有著良好的過渡，因而賦予了零件優(yōu)良的綜合性能.長期以來，我國的滲氮鋼只有38CrMoAl一種，但由于其含有較高的C和Al，因而具有韌性差、滲氮速率慢，滲層淺等缺點.本研究針對柴油機燃油噴射器柱塞偶件用材料開發(fā)了一種新型無鋁滲氮鋼，并對其力學(xué)性能及滲氮特性進行了研究.由于偶件大小不一，且我國采用的鋼種繁多，如38CrMoAl鋼、進口32Cr3MoV鋼，甚至H13鋼，大大增加了成本及工序.本研究試圖改善這一現(xiàn)狀以取得更優(yōu)的經(jīng)濟效益，并豐富目前的滲氮用鋼.

1 試驗材料和方法

試驗用鋼和對比鋼38CrMoAl采用真空感應(yīng)+電渣重熔冶煉，其化學(xué)成分如表1所示.

表1 試驗用鋼化學(xué)成分的質(zhì)量分數(shù)Table 1 Composition of the tested steel %

試驗鋼最終軋制成直徑為75 mm的棒材，700℃退火10 h.取縱向拉伸試樣(L0=5d0，d0= 5 mm)和縱向夏比V型缺口沖擊試樣(10 mm× 10 mm×55 mm)，分別在900，920，940，960℃奧氏體化1 h，油淬后采用560～640℃回火處理，保溫2 h后空冷.對比鋼 38CrMoAl的熱處理工藝為940℃×1 h油淬和600℃ ×2 h回火.拉伸實驗在萬能試驗機上進行，在光學(xué)顯微鏡下觀察材料的顯微組織;在高分辨透射電子顯微鏡(high resolution transmission electron microscope，HRTEM)下對試驗鋼組織及碳化物進行觀察.

由于滲氮是在500℃以上進行，因此，取試驗鋼和38CrMoAl鋼在淬火后直接滲氮.在滲氮的過程中同時進行回火，淬火溫度為980℃.真空淬火后在LDMC-75脈沖電源輝光離子多元共滲爐中進行滲氮處理，工藝為520℃離子滲氮10 h.滲氮后分別制成金相樣，進行組織分析，并在顯微硬度計上測定材料端面距滲氮表面不同深度的硬度分布.使用DLMAX-2550 X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)儀對滲氮表層相結(jié)構(gòu)進行定性分析.

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 力學(xué)性能

圖1為回火溫度對試驗鋼硬度和沖擊功的影響.可見，隨著回火溫度的升高，試驗鋼的硬度降低，而沖擊功升高.在600℃回火時，隨著淬火溫度的變化，硬度在40.2～43.3 HRC之間，而沖擊功在30.0～71.7 J之間;當回火溫度高于600℃時，沖擊功變化更顯著.因此，在600℃以上回火時，試驗鋼具有較好的硬度和韌性組合.

表2為試驗鋼在920℃淬火，600℃回火后的力學(xué)性能與38CrMoAl鋼在940℃淬火，600℃回火后的力學(xué)性能對比.可以看出，試驗鋼在強度、塑性等指標上均高于38CrMoAl鋼，但由于試驗鋼合金質(zhì)量分數(shù)高于38CrMoAl鋼，其韌性值稍低，因此，其綜合力學(xué)性能優(yōu)于38CrMoAl鋼.圖2為兩種鋼分別在920℃淬火+600℃回火，940℃淬火+600℃回火后的金相照片.兩種鋼調(diào)質(zhì)后組織均為回火索氏體，其中試驗鋼在調(diào)質(zhì)后的組織比38CrMoAl鋼更加細小彌散，表現(xiàn)出了更佳的強韌性組合.

圖1 回火溫度對試驗鋼硬度和沖擊韌性的影響Fig.1 Dependence of hardness and impact energy on tempering temperature of the tested steel

表2 試驗鋼和38CrMoAl鋼力學(xué)性能對比Table 2 Comparison of mechanical properties of tested steel and 38CrMoAl

圖3為試驗鋼調(diào)質(zhì)后的TEM照片.可以看到，沿馬氏體板條邊界上析出大量碳化物.對圖3(a)中的點1進行能譜(energy dispersive spectrum，EDS)分析，可以發(fā)現(xiàn)這種碳化物含有Cr，Mn，V的碳化物，能阻止馬氏體板條的長大，從而使試驗鋼強度增加(見圖4(a)).同時，試驗鋼淬火、回火后晶內(nèi)存在大量位錯，且在纏結(jié)的位錯內(nèi)發(fā)現(xiàn)了細小彌散的球形及棒狀碳化物，如圖3(b)所示.對圖3(b)中的點2，3進行EDS分析，可知這些均為Cr，Mn的碳化物，能起到阻礙位錯的作用，進一步強化了基體(見圖4(b)和圖4(c)).通過對試驗鋼晶粒度的測試發(fā)現(xiàn)，試驗鋼經(jīng)920℃淬火后，晶粒度達到10級，固溶在基體中的微合金元素Nb能有效細化晶粒［5-7］，從而提高了鋼的強度與韌性，并能有效提高滲氮層深度［8］.

圖2 試驗鋼和38CrMoAl鋼調(diào)質(zhì)后的組織Fig.2 Microstructure of tested steel and 38CrMoAl after quenching and tempering

圖3 試驗鋼調(diào)質(zhì)態(tài)TEM顯微組織觀察Fig.3 TEM microstructure of tested steel

2.2 滲氮性能

圖4 圖3中1，2，3點的能譜分析Fig.4 EDS analysis of point 1，2 and 3 in Fig.3

試驗鋼和38CrMoAl鋼經(jīng)520℃離子滲氮處理10 h后，其滲層組織分別如圖5(a)和圖5(b)所示.可以看出，試驗鋼白亮層、擴散層、基體界限清晰，其滲層深度明顯深于38CrMoAl鋼.圖6為在顯微硬度計上分別對兩種鋼進行硬度測試后的硬度梯度曲線.可見，試驗鋼基體硬度在 450 HV左右，而38CrMoAl鋼的基體硬度只有400 HV左右，取硬度大于基體硬度50 HV為有效滲層［9］.結(jié)果表明，兩種鋼在同種滲氮工藝下，試驗鋼表面最高硬度低于38CrMoAl鋼，最大值在950 HV左右;而38CrMoAl鋼的硬度最大值大于1 050 HV.另一方面，試驗鋼滲層深度在0.3 mm左右，滲層深且硬度梯度緩和，而38CrMoAl鋼的滲層深度不到0.2 mm，且硬度梯度大.

圖5 試驗鋼與38CrMoAl鋼滲氮層顯微組織Fig.5 Microstructure of tested steel and 38CrMoAl

圖6 試樣鋼和38CrMoAl鋼滲層硬度梯度Fig.6 Hardness profiles of the tested steeland 38CrMoAl after nitriding

采用XRD技術(shù)對兩種鋼滲氮表面的相結(jié)構(gòu)進行了定性分析，結(jié)果如圖7所示.由圖7可知，兩種鋼表面組織均主要為ε-相和合金氮化物，其中試驗鋼表層氮化物主要為Fe3N和Cr2N，38CrMoAl鋼的表層氮化物主要為Fe3N，AlN以及Cr2N.鋼中的Al，Cr與N形成彌散的合金氮化物，該合金氮化物能夠提高表面滲層的硬度，降低N的擴散系數(shù)，從而降低滲氮層的總深度.另外，合金氮化物越穩(wěn)定，越能降低N的擴散系數(shù)［10］.38CrMoAl鋼由于含有Al，在表面形成高硬度的AlN，且AlN的穩(wěn)定性高于CrN，因此，試驗鋼表面最高硬度低于38CrMoAl鋼，但其滲層深度則大于38CrMoAl鋼.

圖7 試驗鋼滲氮表面物相X射線衍射圖譜Fig.7 XRD spectra of nitriding case of the steels

由于大多數(shù)零件滲氮后都需經(jīng)磨削大部分的白亮層后使用，因此，對于表面白亮層無特殊要求.而38CrMoAl鋼由表及里的硬度梯度大，有可能發(fā)生殘余壓應(yīng)力的松弛，其滲氮層綜合性能低于試驗鋼.

相對38CrMoAl鋼，試驗鋼提高了Si，Mn，Mo等合金元素的質(zhì)量分數(shù)，有效提高了鋼的淬透性及其強度.對試驗鋼進行末端淬透性實驗發(fā)現(xiàn)，其在整個試樣長度范圍(100 mm)內(nèi)均可淬透，而38CrMoAl鋼僅在直徑小于30 mm時才可以淬透［11］，因此，試驗鋼可以用于大截面零件.同時，Si為不形成碳化物元素，固溶在基體中能提高鋼的回火穩(wěn)定性;Mo質(zhì)量分數(shù)的增加，進一步提高了鋼的淬透性及熱強性，使其心部在滲氮之后仍能保持較高溫度，滲氮試驗的結(jié)果也證實了這點，從而可能會對提高零件的疲勞強度有所幫助［12］.目前，本試驗鋼已經(jīng)運用于柴油機燃油噴射器柱塞偶件上，并取得了良好的效果.

3 結(jié)論

(1)新型無鋁滲氮鋼經(jīng)920℃油淬+600℃回火后能夠獲得較高強塑性，同時韌性也保持在較高水平，具有比38CrMoAl鋼更優(yōu)的力學(xué)性能.

(2)經(jīng)520℃離子滲氮10 h后，試驗鋼具有較高的表面硬度，滲層深度大于38CrMoAl鋼，同時硬度梯度也更緩和，表現(xiàn)出良好的滲氮性能.

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