PCrNi3Mo鋼真空滲鉻層的組織與性能

馮凌宵， 金 浩， 楊 麗

(沈陽理工大學 裝備工程學院， 遼寧 沈陽 110159)

身管是火炮的重要零部件，對火炮的性能與壽命起決定性作用，而火炮身管的壽命主要受疲勞和燒蝕兩種因素的制約[1-4]。PCrNi3Mo鋼具有高強韌性、耐燒蝕等優點，是目前最主要的身管用鋼[5-7]。但為了適應未來戰爭中對火炮有更高初速、更大膛壓、更遠射程的要求，必須保證未來身管材料具有更高的性能，包括有足夠的韌性、更高的抗燒蝕和耐腐蝕性能[8]。因此發掘新的身管內膛熱處理技術，對現有的身管材料表面進行改性處理，進而提高火炮身管的壽命是一種比較好的處理方法[9-10]。

目前國內外最常見的對火炮身管材料進行表面改性的方法為電鍍鉻，將金屬鉻與工件基體通過電鍍的方式結合。但得到的鍍層脆性較高，容易產生裂紋而脫落，對人體和環境危害大，使用電鍍時電流的利用率較低等[11]。因此，在火炮身管材料表面進行滲鉻的工藝應運而生[12]。經過長期的研究，現在的滲鉻技術包括固體滲鉻、液體滲鉻、氣體滲鉻[13]。本文提出的真空滲鉻技術是將真空技術與固體滲鉻相結合，既保證整個滲鉻過程的密封性更加完善，又使整個滲鉻過程為無氧化加熱[14-16]。探索了真空條件下不同保溫時間對滲鉻層組成、厚度、耐磨性能、耐腐蝕性能的影響，以期提高火炮身管材料的表面硬度、耐磨性及耐蝕性。

1 試驗材料與方法

選用PCrNi3Mo鋼作為火炮身管材料用鋼，利用線切割將其加工成尺寸為15 mm×15 mm×5 mm板狀試樣，試驗前將工件用240、600、800、1200、2000號砂紙逐級打磨后，利用超聲波清洗機對其進行清洗。采用固體包埋法將工件包埋于均勻混合的滲鉻劑后將其密封。滲鉻劑中供鉻劑選用純度為99.99%，顆粒度為100目的高純度鉻粉，填充劑為氧化鋁粉，催滲劑為碘化銨。

本試驗采用某公司自主研發設計的雙室加壓氣冷真空爐，將整個真空爐預熱60 min后，再打開放氣閥將爐內的壓力放至室壓，打開艙門放置密封罐，將密封罐放入真空爐中進行抽真空，當真空爐內真空度達到1×10-3Pa后，開始程序加熱前，打開氣路系統，將氬氣通入真空室中，真空爐開始根據程序加熱。以初始溫度為30 ℃，10 ℃/min的速率升溫，在爐內溫度升至1100 ℃后分別保溫2、4、8、12 h，保溫結束后隨爐冷卻，將試樣進行超聲波清洗后對其進行檢測與表征。

采用XRD衍射儀分析滲層的物相組成；使用EDS分析滲層截面的成分；經體積分數為5%硝酸酒精腐蝕后，利用光學顯微鏡對滲層厚度進行測量；使用自動顯微硬度儀，載荷砝碼為0.5 kg，加載時間為10 s，在試樣表面隨機選取5個點測量硬度，對其結果求平均值；在摩擦磨損試驗機上對試樣進行摩擦磨損試驗，其中載荷為20 N，得出摩擦因數曲線，測得其磨損量。使用電化學工作站于3.5wt%NaCl溶液中測試試樣的腐蝕電化學極化曲線，將飽和甘汞電極作為參比電極，鉑電極作為輔助電極，得到其自腐蝕電位與自腐蝕電流密度。

2 試驗結果與分析

2.1 組織結構分析

2.1.1 物相分析

圖1為不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后的XRD圖譜。從圖1可以看出，在保溫2、4 h時，試樣的表面主要由Cr7C3、(Cr，Fe)7C3組成，而保溫時間為8 h時試樣表面主要由Cr7C3組成，當保溫時間為12 h時試樣表面主要由Cr7C3、Cr23C6組成。這是由于在滲鉻過程中，金屬鉻會隨著真空爐內溫度的升高而氣化生成活性鉻原子，金屬鉻原子與金屬鐵原子的直徑相差不大，故可以在高溫條件下與鐵原子形成置換固溶體[17-19]，由于保溫時間不長，故有(Cr，Fe)7C3相生成；而隨著保溫時間的增加，越來越多的鐵原子被鉻原子置換出來，生成Cr7C3相；當試樣中的鉻原子越來越多時，就會在Cr7C3相中生成Cr23C6相。且保溫時間越長，新相的衍射峰越強。

圖1 不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后的XRD圖譜

2.1.2 EDS分析

圖2為不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后的線掃描圖，選取鐵、鉻、碳3種元素。從圖2可以看出，由表面到基體碳含量一直處于較低水平，但是在基體與滲層中一直含有碳元素，且滲層中的含碳量要略高于基體中的含碳量。基體中的碳是由于試樣本身含有較高含量的碳，而滲層中的碳是由于滲層的主要成分是碳與鉻的化合物，故也擁有一定的含碳量。圖2中變化比較明顯的是鉻與鐵的含量，由表面到基體，鉻的含量先升高再降低，到了滲鉻層與基體的分界面處鉻的含量陡降到一穩定值。而鐵含量在滲鉻層與基體的分界面處升高而后趨于試樣基體含量。滲鉻層中鉻含量大于鐵含量，而基體中鐵含量大于鉻含量。通過鉻與鐵的含量對比可以進一步確定工件表面確實有一層含鉻量較多的滲層。

圖2 不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后的線掃描圖

2.1.3 顯微組織分析

圖3為不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后滲層截面的顯微組織。從圖3可以看出，在保溫時間為2 h時，由于保溫時間較短，PCrNi3Mo鋼表面生成的鉻化物很薄，厚度在2 μm左右。保溫時間為4 h時，隨著滲鉻層厚度的增加，試樣的表面有白亮層，主要為富鉻層，滲層的厚度均勻，致密性和連續性都很好，形成了完整的表面滲層；表面滲層與試樣基體之間有明顯的界面，界面連續且有一定的起伏，結合圖2說明滲層與試樣基體間發生了擴散，形成擴散層。這是因為滲層的生長主要是由向基體擴散的鉻原子與由基體向外擴散的碳原子結合而成，隨著滲層厚度的增加，阻礙了鉻原子向內擴散，形成了鉻原子濃度梯度下降的擴散層[20]。滲鉻層厚度達到6 μm左右。當保溫時間為8 h及以上時，滲層厚度明顯增加，保溫時間為12 h 時，滲層厚度達到11 μm左右。

圖3 不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后滲層截面的顯微組織

2.2 力學性能分析

2.2.1 表面硬度分析

圖4為不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后的表面硬度值。由圖4可知，PCrNi3Mo鋼未滲鉻前工件基體的硬度值為303.4 HV0.5，真空滲鉻后，表面硬度隨保溫時間的延長而增加，并且在12 h時達到最大值。工件在保溫時間為2 h與4 h時，表面硬度增加緩慢，為503.6與569.5 HV0.5，主要是因為保溫時間過短，氣化的金屬鉻原子較少，表面主要以α鐵鉻固溶體為主，鉻原子向內擴散困難，因而表面硬度較低。隨著保溫時間增加到8 h時，(Cr，Fe)7C3和Cr7C3等化合物層開始增加，鉻原子向內擴散也變得比較容易，形成一定寬度的擴散區，表面硬度也隨之增加到850.6 HV0.5。當保溫時間增加到12 h時，表層化合物數量激增，造成硬度大幅增加，達到1117.1 HV0.5。

圖4 不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后的表面硬度值

2.2.2 耐磨性分析

圖5為不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后的摩擦因數曲線。由圖5可以看出，不同試樣在干摩擦條件下，摩擦開始階段，不同試樣的曲線均先上升后下降，隨著磨損的進行，摩擦因數趨于平緩，這個階段是試樣的摩擦磨合階段[21]。這是由于試樣滲鉻后表面硬度較高，摩擦開始階段磨屑較少，經初始階段摩擦因數上升后，隨著摩擦面粗糙度的降低，摩擦因數逐漸趨于平穩。而且隨著保溫時間的延長，摩擦因數在逐漸降低，當保溫時間為12 h時，最低至0.55。這是由于隨著保溫時間的延長，試樣表面滲層的厚度有一定的增加，表面硬度增大，塑性變形的抗力大，黏著點減少，導致試樣表面的摩擦因數略有下降。圖6為不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后的試樣磨損量對比，由圖6可知，保溫2 h滲鉻試樣的磨損量最多，為0.6350 mg，當保溫時間延長至8 h時，滲鉻試樣的磨損量為0.2025 mg；當保溫時間為12 h時，磨損量最少，為0.1225 mg。綜上所述，經過真空滲鉻處理后的PCrNi3Mo鋼，隨著滲鉻保溫時間的延長，表面滲層的硬度得以提高，耐磨性得到改善，滲鉻層的表面強化作用明顯。

圖5 不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后的摩擦因數曲線

圖6 不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后的磨損量

2.3 電化學腐蝕分析

圖7為不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后在3.5wt% NaCl溶液中的腐蝕極化曲線。可以看出，PCrNi3Mo鋼基體在3.5wt% NaCl溶液中表現為活性溶解，陽極極化電流密度隨極化電位的提高而增加；當保溫時間為2 h時，試樣沒有出現鈍化區，仍然表現為活性溶解，但相對于未滲試樣，保溫時間為2 h時試樣的自腐蝕電位更正，說明相對于未滲試樣，保溫時間為2 h試樣的耐腐蝕性有所增加。當保溫時間增加至4 h時，試樣在溶液中由Tafel區較為平滑地轉變到鈍化區，沒有表現出從活化區到鈍化區的轉變過程，表明試樣表面的鈍化膜是在自腐蝕電位下自然形成的。當保溫時間增加至8 h和12 h時，試樣在溶液中的鈍化區較為明顯，其鈍化區相對而言較為平直且寬闊，鈍化區內電流密度增加緩慢，其鈍化效果較好。滲鉻后試樣耐腐蝕性的提高主要是由于滲鉻層的存在有效地隔絕了腐蝕介質和試驗鋼基體材料，對試驗鋼基體起到了很好的保護作用。

圖7 不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后的動電位極化曲線

將圖7中的極化曲線進行擬合后得到表1數據。從表1可以看出，PCrNi3Mo鋼基體的自腐蝕電位為-490 mV，隨著保溫時間的增加，經過滲鉻處理后的PCrNi3Mo鋼的自腐蝕電位均有不同程度的提高，當保溫12 h時增加最多，其自腐蝕電位提高到-284 mV。PCrNi3Mo鋼基體的自腐蝕電流密度為25.23 μA/cm2，而保溫時間為2、4、8 h時，試樣的自腐蝕電流密度相似，都比基體低了1個數量級；當保溫時間增加到12 h時，試樣的自腐蝕電流密度為0.3681 μA/cm2，比未滲試樣降低了2個數量級。這表明真空滲鉻處理后得到的滲層表面形成了一層較厚、致密的鉻化物薄膜，可以大幅度減慢腐蝕速率，有效地提高PCrNi3Mo鋼的耐腐蝕性，滲鉻保溫12 h時提高最為明顯。

表1 不同保溫時間下PCrNi3Mo鋼真空滲鉻后的極化曲線擬合結果

3 結論

1) PCrNi3Mo鋼在真空條件下不同保溫時間滲鉻處理后表面形成了一層由Cr23C6、Cr7C3和(Cr，Fe)7C3等相組成的多相化合物層。

2) PCrNi3Mo鋼的滲層深度與表面硬度隨保溫時間的增加而增加，摩擦因數與磨損量隨保溫時間的增加而降低；當保溫時間為12 h時，滲層最厚，約為11 μm，表面硬度值最高，為1117.1 HV0.5；摩擦因數最低，低至0.55，磨損量最少，為0.1225 mg。

3) PCrNi3Mo鋼在真空條件下不同保溫時間滲鉻處理后的自腐蝕電位均高于基體的自腐蝕電位，自腐蝕電流密度相較于基體均有下降。不同滲鉻保溫時間下試樣的耐蝕性均有提高，主要得益于滲鉻層有效隔斷了腐蝕介質和基體。