循環(huán)QPQ工藝對球墨鑄鐵滲層性能的影響

焦 彬,劉 森,劉宇軒,王宏宇

(常州中車鐵馬科技實業(yè)有限公司,江蘇 常州 213011)

QPQ技術是將黑色金屬放入滲氮和氧化兩種性質不同的鹽浴中,通過多種元素滲入從而達到金屬表面改性目的[1]。QPQ技術是一個復合處理的工藝過程,主要包含預熱、鹽浴氮化和鹽浴氧化三道工序,在尺寸精度和表面粗糙度要求高時,可進行拋光和再氧化工序,具體根據(jù)工件技術要求進行工序刪減。目前QPQ技術已被廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,國內大部分研究均是通過單次QPQ調整鹽浴配方和工藝參數(shù)提高材料的耐磨性、耐腐蝕性等,有關QPQ循環(huán)處理對基體組織及性能影響的相關研究報道不多。本文以球墨鑄鐵為研究對象,研究循環(huán)QPQ工藝對球墨鑄鐵滲層組織和脆性的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗材料QT500-7球墨鑄鐵的化學成分為(質量分數(shù),%)：3.0～3.8 C、2.4～3.0 Si、≤6 Mn、≤0.05 P、≤0.02 S、≤0.06 Mg,石墨球化等級2級,其熔煉參數(shù)如表1所示。鑄態(tài)試樣經(jīng)550 ℃×4 h回火處理后,用線切割機制成尺寸大小為10 mm×10 mm×10 mm的試樣。

表1 QT500-7球墨鑄鐵熔煉參數(shù)Table 1 Smelting parameter of QT500-7 nodular cast iron

1.2 試驗方法

將試樣循環(huán)進行10次QPQ處理,循環(huán)工藝流程如圖1所示,工藝參數(shù)如表2所示。本試驗采用Observer.A1m型金相顯微鏡進行顯微組織觀察,分析滲層厚度及致密度,并結合HVS-50Z數(shù)顯維氏硬度計對滲層進行脆性分析。采用Dmax-1400型X射線衍射儀對試樣滲層進行物相分析。

圖1 循環(huán)QPQ工藝流程圖Fig.1 Technological process of cyclic QPQ

表2 循環(huán)QPQ工藝參數(shù)Table 2 Technological parameter of cyclic QPQ

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖2為QT500-7球墨鑄鐵經(jīng)循環(huán)QPQ工藝處理后的顯微組織。由圖2可知,四組試樣的滲層組織基本相似,由表向內分別為氧化膜層、疏松層、白亮層及擴散層,其中擴散層不易觀察。由于每次QPQ循環(huán)前均進行噴砂拋光處理,表層的氧化膜大部分被去除,因此僅有薄薄的一層。

(a)QPQ第一次;(b)QPQ第二次;(c)QPQ第四次;(d)QPQ第八次圖2 循環(huán)QPQ工藝處理后QT500-7滲層顯微組織(a)QPQ 1st;(b)QPQ 2nd;(c)QPQ 4th;(d)QPQ 8thFig.2 Microstructure of nitrided layer of QT500-7 by cyclic QPQ process

由于球墨鑄鐵中的石墨有阻礙氮原子擴散的作用[2],從滲層組織上可以看出,雖然整體滲層厚度在持續(xù)增加,但很不均勻。

從圖2(a)中可以看出,試樣在經(jīng)過第一次QPQ處理后已出現(xiàn)明顯的分層疏松,試樣表層微孔擴大成顆粒狀,近表層為細點狀微孔。這是因為鹽浴氮化過程中,氮化鹽中的氰酸根分解產(chǎn)生活性氮原子不斷滲入試樣中,α-Fe固溶體中的氮迅速達到飽和狀態(tài)轉變成γ′相。隨著鹽浴氮化時間的延長,當過飽和氮γ′相的熱力勢高于γ′+ε相時,引起γ′相向ε相再結晶形成致密白亮層,因此白亮層由表及里分別為ε、γ′+ε、γ′、γ′+α。當?shù)永^續(xù)滲入到一定程度時,白亮層中的亞穩(wěn)定ε相開始分解,氮將以自由態(tài)析出,重新結合成氮分子脫離表面形成“微孔洞”,白亮層逐漸轉變?yōu)槭杷蓪?疏松程度由表及里逐漸減輕。

從圖2(b)、2(c)、2(d)中可以看出,當QPQ循環(huán)次數(shù)持續(xù)增加時,試樣疏松層厚度迅速增加,但白亮層厚度變化不明顯,部分區(qū)域甚至出現(xiàn)減小趨勢。還可以看出,圖2(b)、2(c)、2(d)中最嚴重的疏松區(qū)域集中在滲層中間部位,其中圖2(c)、2(d)中的微孔已擴大成顆粒狀堆積甚至塊狀密集分布[3],且已明顯形成垂直于表面的通道痕跡。分析原因是每次鹽浴氮化后均進行噴砂拋光處理[4],表層的氮化疏松層被去除,另外氧化工序使富集在表層的氮原子持續(xù)向內部擴散,兩者相互作用下,導致下一次QPQ循環(huán)處理前滲層中間部位的ε相含量較表層更高。因此隨著循環(huán)次數(shù)的增加,滲層中間部位的ε相先發(fā)生分解,疏松程度由內向外逐漸減輕。此外,每次QPQ處理時由于表層和內部鹽浴氮勢差較大,滲層形成速度快,在表面形成的較高內應力也加速了疏松層的產(chǎn)生。

2.2 平均滲層厚度

圖3是QT500-7球墨鑄鐵的平均滲層厚度隨QPQ循環(huán)次數(shù)的變化曲線。隨著QPQ循環(huán)次數(shù)的增加,平均滲層厚度雖然持續(xù)增加,但是增加的趨勢越來越慢,當增加至一定值后變化不明顯,這與文獻[5]中的描述是一致的。

圖3 QT500-7試樣平均滲層厚度隨QPQ循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.3 Variation curve of the average nitrided layer thickness of QT500-7 specimins with the number of QPQ cycles

這是因為隨著QPQ循環(huán)次數(shù)的增加,滲層中ε相的氮趨于高態(tài),不斷析出氮原子或者直接分解成氮分子,逐漸發(fā)生以下組織轉變：ε→γ′,ε→α,γ′→ε和α→γ′→ε,因此滲層總能保持一定厚度的ε相。由于氮原子在ε相中的擴散速度分別僅為γ′相中的0.08倍和α相中的0.06倍,所以ε相的形成在一定程度上阻礙了氮原子繼續(xù)向內部擴散,因此持續(xù)增加QPQ循環(huán)次數(shù)對球墨鑄鐵的平均滲層厚度變化影響較小。

2.3 脆性

QT500-7球墨鑄鐵經(jīng)循環(huán)QPQ工藝處理后,不同試樣表面壓痕如圖4所示,脆性級別根據(jù)標準GB/T 11354—2005[6]中維氏硬度計測試產(chǎn)生壓痕邊角碎裂的程度進行劃分。QPQ第一次試樣壓痕形貌較好,無裂紋且邊角也比較完整,判定為1級;QPQ第二次試樣壓痕邊角出現(xiàn)了裂紋,裂紋稀疏,判定為2級;QPQ第四次和第八次試樣壓痕多處邊角出現(xiàn)塌陷,判定為3級。這是因為隨著QPQ循環(huán)次數(shù)的增加,滲層中的ε相含量增加[7]和疏松程度加劇等因素疊加,導致滲層脆性級別變大。

(a)QPQ第一次;(b)QPQ第二次;(c)QPQ第四次;(d)QPQ第八次圖4 循環(huán)QPQ工藝處理后QT500-7試樣表面壓痕(a)QPQ 1st;(b)QPQ 2nd;(c)QPQ 4th;(d)QPQ 8thFig.4 Surface indentation of QT500-7 specimens by cyclic QPQ process

受試驗條件的限制,本文僅對試樣循環(huán)進行10次QPQ處理。選取經(jīng)過10次QPQ循環(huán)處理的試樣進行X射線衍射分析,結果顯示整個滲層表面主要是Fe3O4,滲層內部主要是γ′相和ε相。這是由于每次QPQ處理時均進行氧化工序,試樣在氧化鹽浴中形成黑色氧化膜Fe3O4。當QPQ循環(huán)處理到一定程度時,滲層中的ε相將逐漸發(fā)生轉變形成γ′相,所以滲層中除了ε相還有一定量的γ′相,且γ′相的含量隨著循環(huán)次數(shù)持續(xù)增加。

推測分析當循環(huán)次數(shù)進一步增加時,試樣表面的氮原子將通過滲層中新生成的γ′相持續(xù)向內擴散,ε相將逐漸形成高氮脆性相,導致滲層脆性進一步變大。因此,實際應用中應限定QPQ循環(huán)次數(shù)來控制球墨鑄鐵的表面脆性。

3 結論

1)QT500-7球墨鑄鐵第一次QPQ工藝處理后,滲層疏松程度由表及里逐漸減輕;隨著QPQ循環(huán)次數(shù)的增加,滲層疏松程度嚴重加劇,且中間部位的ε相先發(fā)生分解,疏松程度由內向外逐漸減輕。

2)隨著QPQ循環(huán)次數(shù)的增加,QT500-7球墨鑄鐵的平均滲層厚度呈整體擴大趨勢,當增加到一定程度后變化不明顯,但滲層始終能保持一定厚度的ε相。

3)QT500-7球墨鑄鐵經(jīng)過QPQ循環(huán)工藝處理后,試樣滲層脆性級別持續(xù)變大。