稀土釩共滲工藝對工件尺寸精度的影響

何 炫,屈銀虎,成小樂,符寒光,王鈺凡,高浩斐,張 紅

(1.西安工程大學 材料工程學院,陜西 西安 710048;2.西安工程大學 機電工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著我國工業(yè)水平的進步,制造業(yè)對各類機械零部件表面性能要求也越來越嚴格。表面強化技術(shù)是一種能夠在基體表層沉積一層擁有特殊功能的覆層工藝處理手段,可極大改善機械零部件表層硬度、抗氧化性并延長工件使用壽命,具有高效率、低成本、節(jié)能節(jié)材的特點[1-3]。鹽浴滲釩技術(shù)是一種高效的表面強化技術(shù),可在合金鋼表面形成具有高硬度的釩碳化合物覆層[4-7]。理論上碳化釩硬度能達到甚至超過28 GPa。經(jīng)過鹽浴滲釩處理后的工件表層因具有硬度高、韌性好、抗氧化性及表面質(zhì)量穩(wěn)定等特點[8-11],被廣泛應用于航天、船舶、機械加工等工業(yè)領域[12-14]。

稀土元素具有很好的還原能力,在鹽浴滲劑體系中可充當還原劑和催化劑。研究人員發(fā)現(xiàn)在滲釩、滲氮等熱加工過程中加入適量的稀土,可催化活性原子的產(chǎn)生，加快反應的進行,極大地縮短熱處理工藝的生產(chǎn)周期[15-16]。在碳素鋼里加入少量稀土成分能顯著改善其硬度、韌性、耐蝕性，延長其使用壽命。稀土元素易與合金鋼中的金屬元素形成孔狀的復合物,可提高合金鋼的表面活性,降低金屬元素的擴散激活能,從而提高滲釩過程中活性釩原子的擴滲、吸附的速度[17-21]。但是經(jīng)過稀土釩共滲處理后的工件內(nèi)部會產(chǎn)生熱應力,導致工件發(fā)生熱變形和尺寸變化[22]。為了研究稀土釩多元共滲處理對工件尺寸變化的影響,本文選用Cr12MoV為基體材料,以硼砂熔鹽為基鹽,引入硼釩與稀土元素進行多元共滲處理,制定鹽浴滲釩工藝參數(shù)與流程。通過建立滲層形成與長大的函數(shù)模型,分析滲釩過程中工藝參數(shù)與滲層厚度變化量之間的關系。

1 實 驗

1.1 材料

無水硼砂Na2B407(化學純);氟化鈉NaF;五氧化二釩V2O5;氧化鑭La2O3(化學純);去離子水H2O;鋁粉(純度99.98%,粒度44～47μm);Cr12MoV鋼。

1.2 儀器

奧托BHT-306C電子天平(杭州奧托儀器設備有限公司);TL-1280程控箱式電阻爐(廣州寶華科技有限公司);MVT-1000D智能數(shù)字化顯微硬度計(深圳市清溪舒克電子儀器有限公司);真空干燥箱DZ-1BCLL(黃驊菲斯福實驗儀器有限公司);SRM-1(A)接觸式表面粗糙度測量儀(深圳市君達儀器有限公司);MD310數(shù)顯千分尺(深圳市三測精密量儀有限公司)。

1.3 方法

首先用酒精和丙酮對工件進行清洗處理,再按照表1中鹽浴滲劑的配比稱取各組分原料,將其與工件一起放入烘箱中，在170 ℃下烘干2 h。將干燥后的無水硼砂加入到氧化鋁坩堝中并放入箱式電阻爐中,加熱到850 ℃并保溫1 h。在850 ℃依次加入供釩劑V2O5、稀土催化劑La2O3、還原劑鋁粉并進行攪拌使其均勻分散于無水硼砂基鹽中。保溫1 h后再放入工件并升溫到1 000 ℃,保溫6 h;出爐、淬油后在220 ℃下回火2 h。

表 1 鹽浴滲劑的組分Tab.1 Components of salt bathing agent 單位：%

1.4 測試與表征

采用MVT-1000D顯微硬度計測定工件表面滲釩層硬度值;采用SRM-1(A)接觸式表面粗糙度測量儀測定滲后工件的表面粗糙度;采用MD310數(shù)顯千分尺測定滲后工件的尺寸。

2 結(jié)果與分析

2.1 工件表面硬度

Cr12MoV鋼是一種具有廣泛應用前景的合金鋼,但由于Cr12MoV鋼表面硬度較低，在復雜工作環(huán)境下易使工件表面被腐蝕,影響工作效率[23]。因此,需采用熱處理加工工藝對Cr12MoV鋼的表層進行優(yōu)化,經(jīng)過稀土釩多元共滲處理后的工件表面擁有著硬度高、強度高以及耐蝕性的優(yōu)點,可顯著提高Cr12MoV鋼工件表層的性能。

通過使用MVT-1000D顯微硬度計測量,得到工件表面覆層硬度平均值為2 180 HV0.1,約為基體材料Cr12MoV鋼硬度值720 HV0.1的3倍,顯著提高了工件的表面強度。這是因為經(jīng)過處理后的工件表面形成了一層高硬度、高致密度的碳化釩覆層[24]。鹽浴滲劑中的無水硼砂Na2B407在高溫下與工件表層的氧化物薄膜發(fā)生反應即可得到表面干凈、活化的機械零部件，為稀土釩共滲處理提供了基礎。在催滲劑氧化鑭作用下加快了釩原子的生成速率,產(chǎn)生的釩原子經(jīng)過擴滲、毛細、吸附的作用和工件表層的碳原子相結(jié)合生成釩碳化合物滲層并附著在工件表層[25]。

2.2 工件尺寸精度

針對工件滲釩前后的尺寸變化,本文設計并采用了18個實心工件和15個空心試樣(如圖1所示)進行實驗比對,部分實驗結(jié)果見表2、3。

(a) 實心式樣 (b) 空心式樣圖 1 工件試樣Fig.1 Workpiece samples

表 2 實心工件滲釩后尺寸變化量

表 3 空心工件滲釩后尺寸變化量Tab.3 Dimensional change of hollow workpiece after vanadzing

2.2.1 實心工件 1) 采用單一變量法分析滲釩溫度和保溫時間對工件尺寸精度的影響,即在相同反應溫度(950 ℃)、不同保溫時間(2、4、6、8 h)下,工件尺寸的變化量;在相同時間(4 h)，不同溫度(900、950、1 000 ℃)下,工件尺寸的變化。結(jié)果如圖2所示。

(a) 外徑隨滲釩時間的變化曲線

(b) 外徑隨滲釩溫度的變化曲線圖 2 實心工件尺寸變化量圖Fig.2 Change of solid workpiece dimensions

采用最小二乘法多項式曲線擬合工件滲釩后的外徑尺寸變化量。設最小二乘法多項式為

(1)

式中:y為外徑尺寸變化量;An為多項式系數(shù);t為滲釩時間;

令n=2,取點(2,0.02)、(4,0.03)、(6,0.05)帶入式(1)得

A0=2×10-2,A1=-2.5×10-3

A3=1.25×10-3

擬合后得

y=1.25×10-3(t2-2t+16)

(2)

同理,滲釩溫度(T)對工件外徑尺寸變化量的影響擬合后得

y=-6.9 519 426+1.3 988 504×10-2T-

6.923 1×10-6T2

(3)

由擬合公式(2)、(3)可知,滲釩時間與溫度是影響工件外徑尺寸變化的重要因素;由圖2(a)可看出，隨保溫時間延長滲層厚度也持續(xù)增大,近似滿足拋物線形增長規(guī)律,滲釩層厚度增大速率總體上呈現(xiàn)出先快后慢的特征,經(jīng)過6 h的滲釩處理工件表面即可獲得0.05 mm的滲層。這是由于在高溫下隨著保溫時間的延長,活性釩原子與工件表層的碳原子相結(jié)合產(chǎn)生釩碳化合物沉積在工件表層,并隨保溫時間的延長逐漸增厚。隨著滲層厚度不斷增大,合金鋼中碳原子向零部件表面擴滲的距離與擴散激活能也逐漸增大,零件表面碳原子濃度降低,鹽浴體系中鋁粉逐漸被氧化生成一層薄膜附著于工件表層。同時隨著活性釩原子逐漸被還原,鹽浴滲劑中供釩劑濃度減小導致活性釩原子供應不足,從而減弱了活性釩原子與碳原子的結(jié)合能力,因此在反應后期出現(xiàn)覆層增加速度下降的趨勢[17]。

由圖2(b)可以看出，滲層厚度隨滲釩溫度的升高逐漸增大。這是由于反應溫度升高,活性釩原子與工件表層碳原子的熱運動加劇,使得活性釩原子和Cr12MoV中的碳原子向基體表面擴散速度加快。同時,滲釩溫度的升高可以加快鹽浴滲劑中的硼砂的熔融過程,提高鹽浴體系在工件表面的流動速率,促進了碳化釩覆層的生成[17,23]。

2) 采用單一變量法分析工件滲前尺寸對工件尺寸精度的影響,即在相同滲釩溫度(950 ℃)相同保溫時間(2 h),不同工件尺寸(15、20、25 mm)下,滲前尺寸對工件尺寸精度的影響。結(jié)果如圖3所示。

圖 3 實心工件外徑尺寸變化量Fig.3 Outer diameter change of solid workpiece

同理,工件滲前尺寸對工件外徑變化量的影響擬合后得

y=-3.9 499 905×10-1+4.083 322×10-2D+

8.3 333×10-4D2

(4)

由擬合公式(4)和圖3可知,工件表層的覆層厚度隨工件外徑尺寸增加而增大,近似滿足一次函數(shù)形增長規(guī)律。這是因為滲層生成的機制為合金鋼表層碳原子向工件表層自擴散與鹽浴滲劑中活性釩原子的互擴散相結(jié)合生成釩碳化合物涂層。工件外徑尺寸越大其表面存在越多的間隙與空位,促進了碳原子和活性釩原子的擴滲與吸附。并且隨著工件尺寸增大,滲劑中游離釩原子和工件表層碳原子接觸面積也增大,導致原子間結(jié)合更緊密,加快碳化釩滲層的生成[17]。

2.2.2 空心工件 采用單一變量法分析滲釩溫度和時間對空心工件尺寸精度的影響,結(jié)果如圖4所示。

(a) 內(nèi)外徑隨滲釩時間變化曲線

同理,滲釩時間對工件內(nèi)徑、外徑尺寸變化量的影響擬合曲線分別為

yn=-0.04+5×10-3t-2.5×10-3t2

(5)

yw=-0.04+5.25×10-2t-3.75×10-3t2

(6)

同理,滲釩溫度對工件內(nèi)徑、外徑尺寸變化量的影響擬合曲線分別為

(7)

(8)

由擬合公式(5)～(8)可知,滲釩溫度和時間是碳化釩覆層生成的決定性因素;圖4(a)為空心工件在950 ℃下保溫2、4、6、8 h尺寸變化量。可以看出，隨滲釩時間延長,空心工件外徑尺寸持續(xù)增大,覆層厚度不斷增大導致工件內(nèi)徑尺寸逐漸減小,經(jīng)過6 h的滲釩處理工件表面即可獲得0.05 mm覆層。與實心工件相同,隨著稀土釩多元共滲反應的持續(xù)進行,碳原子向工件表層擴散能力逐漸減弱,以及鹽浴滲劑體系被還原出釩原子的數(shù)量持續(xù)減少,導致在反應后期原子間的結(jié)合力減弱使得表面覆層厚度增加速率下降[17]。

圖4(b)為工件在900、950、1 000 ℃下保溫2 h的尺寸變化圖。可以看出,反應溫度提高,空心工件表面涂層厚度持續(xù)增加,工件內(nèi)徑尺寸不斷減小。這是因為當反應溫度提高,原子間的不規(guī)則跳動和振動加強,原子的擴散能力提高。在高溫下滲劑中硼砂基鹽熔融速率加快,使被還原出的活性釩原子沉積于工件表層。隨著溫度升高,稀土元素的化學活性和催滲能力加強,并與工件中金屬元素相結(jié)合，固溶或均勻彌散分布于基體表面。由于稀土熔質(zhì)原子間位錯交互作用加快了釩碳復合物晶核形成和晶體長大的速率,對稀土釩多元共滲處理起到催化作用[5,16]。

2.3 工件表面粗糙度

采用SRM-1(A)接觸式表面粗糙度測量儀測定滲后工件表面粗糙度。實驗前工件經(jīng)M7130磨床磨削,Ra為1.98～2.8 μm;滲釩處理結(jié)束后對工件表面進行清理,分別測量其輪廓算術(shù)平均偏差Ra、輪廓最大高度Rz值。滲釩前后Ra和Rz曲線對比見圖5。

(a) 滲釩前后Ra對比

(b) 滲釩前后Rz對比圖圖 5 滲釩前后Ra、Rz對比圖Fig.5 Comparison of Ra and Rz before and after vanadizing

由圖5可看出，經(jīng)過表面改性技術(shù)處理后的零部件表面粗糙度均明顯增加。通過計算分析,試樣經(jīng)過稀土釩共滲處理后平均Ra值比滲前提高29.84%;滲后平均Rz值比滲前提高11.72%。這說明在工件表面殘留出很多凹凸點,產(chǎn)生了塑性變形,使工件表面的波峰波谷間距增加,提高了工件的耐磨性[25]。由于基體Cr12MoV鋼表面硬度較低易發(fā)生磨損失效,通過滲釩處理后可增大其表面粗糙度從而增大工件表面的摩擦力,而摩擦力又是影響滲層與基體界面結(jié)合力的重要因素,摩擦力越大釩碳化合物滲層與基體間的結(jié)合力越大,較高的界面結(jié)合力可顯著改善機械零部件表層性能,提高其耐磨性和使用壽命[26]。

3 結(jié) 論

1) 通過稀土釩多元共滲處理后,基體表層能獲得高硬度釩碳化合物覆層,滲后工件表面顯微硬度為2 180 HV0.1,約為原始基體硬度的3倍；通過稀土釩共滲工藝對工件進行表面改性處理可大幅度提高工件的表面硬度。

2) 最小二乘法多項式曲線擬合表明,提高稀土釩共滲溫度和延長保溫時間,都能增加滲層厚度，使工件尺寸變化量明顯增大。

3) 稀土釩多元共滲處理可增加工件表層的粗糙度,工件表層釩碳化物滲層與基體間界面結(jié)合力增大,使工件獲得較好的耐磨性，延長其使用壽命。