經滲氮和激光淬火復合改性的鋼材在輸水洞鋼襯中的應用研究

陳曦桐，任守德

(黑龍江省防汛抗旱保障中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 概 述

水利工程中有壓輸水隧洞的進出口段往往需要增加鋼襯來保證工程安全。鋼襯可承受較大的內部水壓力，可消除混凝土裂縫導致的內外滲水，能夠提高輸水效率，并且避免輸水洞進出口段的水工建筑物失穩情況發生。基于安全性的考慮，輸水洞中的鋼襯需要有較高的硬度、耐腐蝕、耐磨損等性能，所以，可以對鋼襯進行優化設計，以提高其性能及使用壽命。考慮到鋼襯處理的成本問題，可采用表面工程處理方法對鋼材進行改性研究。有研究表明，鋼材經過等離子體滲氮后，表面硬度提高；鋼材經過激光淬火后，表面活性增大，表面硬度可大幅提高，并且可提高耐腐蝕性及耐磨性[1-3]。作者采用滲氮和激光淬火復合改性的方法對鋼襯進行處理。

2 試驗方法

選取30CrMnSi調質態鋼作為試驗材料，對其進行500 ℃滲氮動力學試驗(N∶H=3∶1，保溫時間分別為2 h、4 h、8 h和16 h)，滲氮設備為自制等離子體多元共滲裝置，裝置簡圖如圖1所示。滲氮處理后，再次對鋼材進行激光淬火處理，激光加熱成套設備如圖2所示。

圖1 自制等離子體多元共滲裝置系統簡圖

圖2 激光加熱成套設備

分別對調質態、經滲氮處理、經滲氮加激光復合處理的鋼材進行測試。測試的流程為：(1)將鋼材試樣用砂紙研磨并用拋光機進行拋光處理。(2)采用HV-1000型維氏顯微硬度計對試樣的表面及截面進行顯微硬度測試，加載載荷100 g，加載時間20 s。(3)配置腐蝕劑(成分：苦味酸、丙酮、水)，對部分鋼材試樣進行表面腐蝕，用顯微鏡觀察晶粒的腐蝕情況。(4)對部分鋼材試樣進行XRD圖譜分析，分析相含量。(5)對鋼材試樣進行摩擦磨損性能測試，測量磨損失重，并作出摩擦系數變化分析。

3 試驗結果分析

3.1 硬度測試

500 ℃滲氮動力學及經掃描速率為15 mm/s的激光淬火工藝改性后的試樣顯微硬度分布曲線如圖3所示。由圖3可知，調質態的鋼材硬度較低，經過滲氮處理的鋼材表明硬度得到提高，經過滲氮加激光復合處理的鋼材硬化層變厚，比僅經過滲氮處理的鋼材優化效果顯著。原因分析：滲氮處理時，氮原子的滲入使得鋼材表面部分的晶格發生畸變，使得材料硬化；當進行激光掃描時，受高溫影響，氮原子可以進一步向鋼材內部擴散，導致改性層變厚。

圖3 500 ℃滲氮及經激光淬火改性后的試樣顯微硬度曲線

3.2 耐腐蝕性測試

鋼材晶粒的大小與耐腐蝕性能息息相關。當鋼材的晶粒細化時，可以有效改善鋼材的性能，提高鋼材的耐腐蝕性。用腐蝕劑分別對調質態鋼材、500 ℃經16 h滲氮的鋼材試樣及滲氮加激光復合處理(激光處理掃描速度為15 mm/s)鋼材進行腐蝕處理，用顯微鏡觀察晶粒大小的變化情況，腐蝕結果如圖4所示。《金屬平均晶粒度測定方法》(GB /T 6394—2017)國家標準規定，可以采用截線法對合金晶粒大小進行定量分析。

圖4 滲氮、滲氮激光、調質態工藝晶粒腐蝕情況

在圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)中分別畫出三條直線，以測量在單位長度內的晶粒個數，并取平均值。晶粒度計算方法[4]如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

經過激光淬火后的試樣晶粒變小，具體計算結果如表1所示。由表1可知，500 ℃16 h滲氮試樣和調質態試樣的晶粒平均直徑分別是13.946×10-4mm和13.408×10-4mm，而激光改性試樣的晶粒直徑為8.721×10-4mm，晶粒變小，原因是在激光快速加熱和冷卻的過程中，達到相變點溫度，材料重結晶，晶粒來不及長大，導致晶粒細化。細化的晶粒有助于提高材料耐腐蝕性，可以有效地改善材料的性能。

表1 不同工藝晶粒度等級

3.3 XRD測試

選取500 ℃經8 h的滲氮試樣，進行掃描速率為10 mm/s及20 mm/s的激光淬火，用XRD方法分析圖譜。XRD圖譜如圖5所示，使用Jade6.5軟件分析相含量，分析結果如表2所示。

由XRD圖譜可以看出，500 ℃ 8 h滲氮試樣經過激光改性后，衍射峰寬化程度升高，表明了晶格畸變變小，晶格內氮原子變少，氮原子進一步向心部擴散，使滲層增厚。另外，有研究報導，Fe3O4具有防銹功能，Fe3O4的增加也是復合改性后改性層耐腐蝕性能提高的一個因素。

3.4 摩擦磨損性能測試

圖6為滲氮和激光復合改性后摩擦系數變化曲線。由圖6中可以發現較調質態和滲氮試樣，經滲氮激光復合處理后試樣的摩擦系數顯著降低。由于摩擦系數越小，在相同載荷的作用下產生的摩擦力就越小，有利于提高材料的耐磨性。因此，可以推斷滲氮激光復合處理后試樣的耐磨性得到了提高。

為了進一步評價材料的耐磨性，采用FA2204B型電子天平測量了磨損前后的試樣質量，得到磨損失重，見表3所示。由表3可知，調質態試樣磨損最嚴重，磨損量為0.0015 g，滲氮試樣平均磨損量為0.0007 g，滲氮激光復合改性試樣耐磨性最好，平均磨損量為0.0002 g。所以，復合改性工藝可提高鋼材的耐磨性。

表2 500 ℃ 8 h的試樣滲氮及復合改性的相含量分析

4 結 論

通過滲氮加激光淬火的復合改性試驗，30CrMnSi鋼材在硬度、改性層厚度、耐腐蝕性能、耐摩擦性能方面得到了改善。主要得到以下幾個結論：

(1)30CrMnSi鋼滲氮激光復合改性后改性層厚度、組織結構演變規律：與滲氮相比，改性層厚度增加、晶粒細化、衍射峰寬化程度升高。

(2)500 ℃16 h的滲氮試樣經過掃描速率為15 mm/s的激光改性后硬度曲線最佳。證實了激光復合改性工藝可以使鋼材表面的氮元素進行反擴散。

(3)經過復合改性的鋼材晶粒得到細化，耐腐蝕性提高。

(4)摩擦磨損結果表明:經過滲氮和激光復核處理的試樣的摩擦系數低于滲氮試樣，且磨掉的質量小于滲氮試樣，更遠小于調質態試樣。試驗結果符合水工中有壓輸水隧洞的進出口段對鋼襯的性能要求，并且與傳統工藝相比，優勢明顯。