鉆機導軌40Cr鋼噴丸強化與離子多元循環共滲復合工藝

周富佳， 劉小華

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

鉆機可用于施工瓦斯抽放孔、防突卸壓孔、地質勘探孔及其他工程用孔[1]。鉆機設計多采用全液壓滑臺動力推進機構，動力裝置依靠滑塊組件在支承導軌上做定向移動。由于巷道特殊的工作環境，鉆機在施工過程中始終處于高煤巖和高頻振動的工況，因此鉆機導軌表面易受到外界異物的切削作用而發生磨損現象[2-3]。動力裝置在快速前進、后退過程中，導軌表面也易因摩擦產生的局部高溫發生粘著磨損或膠合磨損。

為增強鉆機導軌表面性能，提升使用壽命，鉆機導軌通常會進行熱化學處理以提升表面硬度、耐磨性、疲勞強度和耐腐蝕性。單一化學熱處理工藝對材料性能提升有限，復合強化表面化學熱處理工藝能實現優勢互補、協同增強的作用。離子滲氮工藝具有滲氮速度快、滲層成分易于控制、滲層硬度大和滲層較厚等特點，被廣泛用于鑄鐵、碳鋼、合金鋼和不銹鋼等材料的化學熱處理[4]。噴丸強化工藝是通過噴射高密度、高能量彈丸撞擊金屬零件表面，使其發生循環彈性、塑性變形，因而晶粒得到細化，晶界面積增加，位錯密度增大。這些微觀形變有利于阻止疲勞裂紋的延伸，從而提升零件的疲勞強度[5-6]。根據理論分析，離子滲氮和噴丸強化對鉆機導軌性能提升都有積極作用。鉆機導軌常采用合金鋼制造，本文以鉆機導軌常采用的40Cr合金鋼為試驗材料，通過工藝試驗和檢測分析，探究噴丸強化和離子多元循環共滲復合工藝對鉆機導軌性能提升的作用機理。

1 試驗材料及方法

為保證零件的尺寸精度和良好力學性能，零件在滲氮前進行調質處理，并且調質工藝的回火溫度大于滲氮溫度。相關資料表明[7-8]，40Cr鋼調質工藝為850 ℃×1 h油淬，570 ℃×2 h回火。經檢測，40Cr鋼調質后的表面平均硬度為280 HV。40Cr鋼試樣調質處理后放入噴丸機進行噴丸處理[9]，彈丸選擇鑄鋼丸S110，強度0.2 A，表面覆蓋率100%。試樣噴丸處理后放入滲氮爐進行離子多元循環滲氮，氨氣流量2.0 L/min，乙醇和二硫化碳(4∶1)的混合氣體0.2 L/min，采用兩段循環共滲，試樣在500 ℃保溫2.5 h后再降至470 ℃保溫0.5 h，以此為一個周期(3 h)，工藝曲線見圖1。為對比分析復合工藝對40Cr鋼組織與性能的影響，采用控制變量法再做兩組參照試驗，參照組的材料、調質工藝和噴丸強化與離子多元循環共滲復合工藝試驗組相同，參照組試樣不做噴丸強化處理，分別采用離子多元循環共滲工藝和離子多元恒溫共滲工藝。離子多元循環共滲工藝曲線與圖1相同，離子多元恒溫共滲工藝試樣在500 ℃連續保溫6 h。

圖1 離子多元循環共滲工藝曲線Fig.1 Process curve of the plasma multi-elements cycle penetrating

試樣表面硬度和滲層深度通過HX-1000TM/LCD型顯微硬度計測定，載荷砝碼為200 g，穩壓保載時間設置15 s。試樣多元共滲完成后進行剖面切割，距離滲層表面15 μm處為第一個硬度檢測點，再向試樣基體方向間隔50 μm，檢測直至硬度示數大于基體硬度50 HV以內，所測縱向深度即為滲層深度。試樣顯微組織采用XJZ-6型光學顯微鏡觀察，微觀形貌采用日立S-3700N型掃描電鏡觀察，并通過附帶的EDS能譜分析功能對所選區域元素進行定量分析。

2 試驗結果與分析

2.1 表面硬度與滲層深度

圖2是試樣的顯微硬度隨滲層深度變化曲線。離子多元共滲時，共滲元素從試樣表面逐漸往基體滲入并與試樣中的化學元素發生反應生成新的高硬度化合物，但共滲元素的濃度隨滲層深度的增加逐漸降低，因此硬度也隨滲層深度的增加逐漸降低。鉆機導軌理想的共滲效果是表面硬度大、滲層深，且滲層硬度變化梯度平緩。表面硬度大，導軌不易磨損變形；滲層深，導軌的耐磨性好，抗腐蝕能力強，使用壽命長；滲層硬度梯度變化平緩，導軌的疲勞強度高，不易因產生裂紋而發生脆性斷裂。噴丸強化+離子多元循環共滲復合工藝試樣的表面硬度為912 HV0.2，滲層深度為315 μm；離子多元循環共滲工藝試樣的表面硬度為837 HV0.2，滲層深度為265 μm；離子多元恒溫共滲工藝試樣的表面硬度733 HV0.2，滲層深度為215 μm。3組試樣中，噴丸強化+離子多元循環共滲復合工藝試樣的表面硬度最大且滲層最深，硬度梯度變化平緩；離子多元循環共滲工藝試樣表面硬度和滲層深度次之；離子多元恒溫共滲工藝試樣表面硬度和滲層深度最小。圖2滲層硬度變化曲線表明，噴丸強化+離子多元循環共滲復合工藝能促進共滲元素滲入試樣基體形成高硬度化合物，作用效果優于單一共滲工藝。

圖2 不同工藝滲層的硬度變化曲線Fig.2 Hardness variation curves of the infiltrated layers with different processes

2.2 顯微組織

圖3是通過光學顯微鏡觀察到的試樣顯微組織。由圖3可知，離子碳氮氧硫多元共滲工藝試樣的顯微組織與離子滲氮工藝相似，試樣剖面從表至里依次為白色的化合物層、黑色的擴散層和淺色的基體，化合物層的厚度加上擴散層的厚度即為滲層厚度[10]。化合物層相對較薄，主要由高硬度的ε相(Fe2-3N)組成，擴散層主要由γ′相(Fe4N)和α相(含氮鐵素體)組成，ε相氮含量較高，γ′相次之，α相最低。結合試樣滲層硬度變化曲線和顯微組織分析可知，滲層硬度與氮含量呈正相關，氮含量越高硬度越大。試樣經過噴丸處理后，表層發生劇烈彈、塑性變形，晶粒變得細化，晶格發生畸變，位錯產生滑移，晶界密度增加，為滲氮爐內氣氛中的元素滲入試樣基體提供快速通道。對比分析離子多元循環共滲工藝試樣和離子多元恒溫共滲工藝試樣的顯微組織還可知，降溫周期循環工藝對離子多元共滲也能產生積極作用。

圖3 不同工藝滲層試樣的顯微組織(a)噴丸強化+離子多元循環共滲；(b)離子多元循環共滲；(c)離子多元恒溫共滲Fig.3 Metallographic microstructure of the infiltrated layer specimen with different processes(a) shot peening+plasma multi-elements cycle penetrating; (b) plasma multi-elements cycle penetrating; (c) plasma multi-elements constant temperature penetrating

2.3 滲層SEM形貌

通過掃描電鏡對試樣化合物層及擴散層的微觀組織形貌進行更細致地觀察。根據試樣滲層SEM形貌(見圖4)可知，噴丸強化+離子多元循環共滲復合工藝試樣表面有較厚的化合物層ε相，化合物層和擴散層存在明顯分界線，這與其顯微組織相似；離子多元循環共滲工藝試樣的化合物層較薄，擴散層存在明顯長針狀無規則氮化物和顆粒狀氮化物；離子多元恒溫共滲工藝試樣滲層主要是顆粒狀氮化物。在滲氮過程中，氮原子首先滲入α-Fe中形成α相，濃度達到飽和之后通過晶格重構的方式形成γ′相；氮原子繼續滲入，γ′相達到飽和濃度后又通過晶格重構的方式形成ε相，試樣經過離子滲氮后從表至里依次為ε相、γ′相和α相。3組試樣熱處理工藝不同，因此滲層組織形貌存在顯著差別。

圖4 不同工藝滲層試樣SEM形貌(a)噴丸強化+離子多元循環共滲；(b)離子多元循環共滲；(c)離子多元恒溫共滲Fig.4 SEM morphologies of the infiltrated layer specimen with different processes(a) shot peening+plasma multi-elements cycle penetrating; (b) plasma multi-elements cycle penetrating; (c) plasma multi-elements constant temperature penetrating

試樣在噴丸過程中，晶粒內部高密度的位錯墻和位錯纏結在高能量狀態下會不斷吸收新的位錯，逐漸演變成小角度亞晶界；當小角度亞晶界繼續吸收新的位錯會轉變成大角度亞晶界[11]。如此循環演變，晶面發生彎曲、扭轉，產生擠壓、分割現象，晶粒尺寸不斷減小，取向差不斷增大，最終形成取向隨機分布的微晶組織。由于噴丸強化的作用效果由表至里依次遞減，晶粒破碎、細化等微觀組織變化主要發生在試樣表面，因此氮原子在表層擴散速度較快，易產生氮原子富集現象。微觀組織細化、位錯組態變化、晶界面積增加、點陣畸變等為氮化物的形核提供了有利條件，滲入的氮原子優先在這些晶體缺陷處發生反應。細小的氮化物可通過與位錯的交互作用釘扎位錯，在表層形成穩定致密的組織結構ε相。

2.4 滲層能譜分析

在試樣SEM形貌圖選取相似擴散層區域進行EDS能譜檢測，定量分析所選區域主要化學元素種類及質量分數。圖5是試樣掃描區域能譜檢測結果，40Cr鋼本身含有Si、Cr兩種元素，且檢測結果數值在正常范圍內，表明此次多元共滲工藝試驗對兩種元素含量沒有影響。多元共滲劑中含有的乙醇和二硫化碳分解之后提供了額外C元素，反應生成的鐵碳化合物有助于提高試樣表面硬度。40Cr鋼中不含N元素，表明試樣中的N元素是由共滲氣體NH3提供。擴散層未檢測到的O、S元素在試樣表面發生化學反應，生成的氧化物、硫化物能降低試樣表面摩擦因數，增加試樣的耐磨性能。從能譜檢測結果還可知，噴丸強化+離子多元循環共滲復合工藝試樣N元素含量最高，離子多元循環共滲工藝試樣N元素含量次之，離子多元恒溫共滲工藝試樣N元素含量最低。

圖5 滲層掃描區域能譜分析(a,d)噴丸強化+離子多元循環共滲；(b,e)離子多元循環共滲；(c,f)離子多元恒溫共滲Fig.5 Scanning area EDS analysis of the infiltrated layers(a,d) shot peening +plasma multi-elements cycle penetrating; (b,e) plasma multi-elements cycle penetrating; (c,f) plasma multi-elements constant temperature penetrating

試樣經噴丸處理后，表層晶界密度增加，氮原子沿晶界擴散所需的能量低于穿過晶粒內部所需的能量，并且噴丸之后晶體內部存在的非平衡畸變處于高能量狀態，為氮原子的擴散和氮化物的形核提供額外能量。離子滲氮是爐體內的氮元素從試樣表面向基體擴散的平衡過程，滲氮層的物相成分與氮元素含量有關。爐內氣氛中氮勢較高時，易在零件表面形成致密的高氮勢ε相，但當大量ε相在表層堆積的時候，又會阻礙氮元素向基體擴散；爐內氣氛中氮勢降低時，為保持新的動態平衡關系，滲氮層中高氮勢的ε相會分解，向低氮勢的γ′相、α相轉變[12]。根據菲克第一定律(公式(1))，擴散物質流量與擴散系數和濃度梯度呈正相關，增大擴散系數和濃度梯度都能促進氮元素的滲入。

(1)

噴丸強化通過增加擴散通道，降低擴散能量的方式增大擴散系數；循環滲氮使試樣表面與擴散層的濃度梯度呈周期性變化，為相界面反應和內擴散提供內驅力。因此，噴丸強化+離子多元循環共滲復合工藝能夠增加鉆機導軌表面硬度，提高滲層厚度，增強鉆機導軌表面性能。

3 結論

1) 40Cr鋼試樣經過噴丸強化+離子多元循環共滲復合工藝處理后表面硬度為912 HV0.2，深層深度為315 μm；離子多元循環共滲工藝處理試樣的表面硬度為837 HV0.2，滲層深度為265 μm；離子多元恒溫共滲工藝處理試樣的表面硬度為773 HV0.2，滲層深度為215 μm。

2) 40Cr鋼試樣滲層硬度變化曲線、顯微組織、滲層SEM形貌和EDS能譜檢測結果表明，噴丸強化+離子多元循環共滲復合工藝優于離子多元循環共滲工藝、離子多元恒溫共滲工藝。噴丸強化+離子多元循環共滲復合工藝能顯著提高鉆機導軌40Cr鋼的滲層深度、表面硬度，從而改善鉆機導軌表面性能。

3) 噴丸強化引起的微觀組織細化、位錯組態變化、晶界面積增加和點陣畸變等能為氮原子的擴散和氮化物的形核提供有利條件，氮原子在表層富集可形成穩定致密的ε相。