淬火態(tài)30CrMnSiA和42CrMo鋼等離子體稀土氮碳共滲層組織與性能.pdf

1、本文對淬火態(tài)30CrMnSiA和42CrMo鋼進(jìn)行了不同氣氛、溫度和時間的等離子體滲氮及有無稀土氮碳共滲工藝處理,利用金相組織觀察(OM)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡觀察(SEM)及能譜分析(EDS)、透射電鏡觀察(TEM)等分析測試方法研究了各工藝參數(shù)對改性層的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、耐磨性及耐腐蝕性能的影響。
　　30CrMnSiA和42CrMo鋼淬火后組織為馬氏體,等離子滲氮及氮碳共滲層均由化合物層和擴(kuò)散層組成。在460℃以

2、上進(jìn)行等離子體氮碳共滲時稀土的添加能夠改善滲層組織;560?C添加0.5L/min稀土共滲時滲層組織由“三層”結(jié)構(gòu)組成,即表面5μm化合物層、中間40μm耐蝕白層以及傳統(tǒng)的擴(kuò)散層。
　　等離子體滲氮及氮碳共滲層主要由ε-Fe2?3N和γ′-Fe4N(ε-Fe2?3(N,C)和γ′-Fe4N)組成,處理溫度升高,改性層中ε-Fe2?3N(ε-Fe2?3(N,C))相對含量減少。等離子體滲氮時,400℃和560℃滲氮時滲層中出現(xiàn)含氮馬

3、氏體?'-FeN相;460℃滲氮時,隨著滲氮時間延長滲層中ε-Fe2?3N相含量先增多后減少,長時間(16h)滲氮后γ′-Fe4N-(200)發(fā)生擇優(yōu)取向。等離子體氮碳共滲時,γ′-Fe4N相在(200)晶面的擇優(yōu)取向隨著溫度的升高和時間的延長而減弱。利用稀土添加量可以調(diào)控共滲層相組成,適當(dāng)添加有助于ε-Fe2?3(N,C)相形成,同時使γ′-Fe4N的(200)晶面擇優(yōu)取向現(xiàn)象增強(qiáng);560℃共滲稀土添加量達(dá)到0.5L/min時表面形成

4、Fe3C相。
　　滲氮?dú)夥諏Ρ砻嫘蚊灿绊懖淮?表面氮化物顆粒隨著滲氮溫度的升高聚集長大,表面粗糙度增大。氮碳共滲時,稀土添加提高了表面氮化物顆粒密度,促進(jìn)氮化物聚集長大;560℃×8h添加0.5L/min稀土共滲時,表面形貌由花瓣片狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄叽鐬?00nm~300nm的細(xì)小短棒狀組織(Fe3C+少量氮化物),表面粗糙度顯著降低。而EDS結(jié)果表明稀土元素可以滲入到材料內(nèi)部一定深度,且能夠促進(jìn)氮元素向內(nèi)擴(kuò)散。
　　淬火態(tài)

5、30CrMnSiA鋼等離子體滲氮及氮碳共滲改性層內(nèi)主要為納米尺寸的氮化物以及少量納米級含氮馬氏體α'-FeN組織(50nm~100nm);而稀土的添加有助于形成小尺寸含氮碳的馬氏體組織,并在一定范圍內(nèi)隨著稀土添加量的增多納米化程度提高。納米晶形成機(jī)制是高過飽和淬火組織在氮、碳滲入過程中表層析出納米級氮化物,并在固有合金元素和滲入的氮、碳、稀土等共同作用下引起的滲層內(nèi)應(yīng)力增大,在位錯密度較高的地方使位錯亞結(jié)構(gòu)移動、合并或者重排形成亞晶或納

6、米晶,實(shí)現(xiàn)表面納米化。
　　淬火態(tài)30CrMnSiA硬度為HV500,經(jīng)等離子體滲氮及氮碳共滲后表面硬度顯著提高,最高可達(dá)HV1122.6,表面和心部硬度隨滲氮溫度升高而降低。從EDS檢測和有效硬化層結(jié)果可知,稀土的添加可以促使氮、碳向內(nèi)擴(kuò)散,但不同溫度共滲時稀土較佳添加量有所不同,500℃稀土添加0.05L/min時有效硬化層最厚,而560℃×8h共滲稀土添加0.3L/min時氮向內(nèi)擴(kuò)散最遠(yuǎn),且有效硬化層最厚。淬火態(tài)30CrMn

7、SiA和42CrMo鋼經(jīng)等離子體滲氮及氮碳共滲處理后,心部硬度同時發(fā)生變化,與常規(guī)調(diào)質(zhì)后效果相當(dāng),實(shí)現(xiàn)表面改性與心部組織回火同時進(jìn)行。
　　拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,與調(diào)質(zhì)態(tài)30CrMnSiA鋼經(jīng)等離子體氮碳共滲后相比,淬火態(tài)試樣共滲處理后強(qiáng)度升高而韌性有所下降,而稀土共滲后強(qiáng)度不降低但韌性增加,表明30CrMnSiA鋼“淬火+稀土共滲”處理可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“調(diào)質(zhì)+氮碳共滲”復(fù)合工藝,且能夠滿足性能指標(biāo)要求。
　　等離子體滲氮及氮碳共

8、滲處理降低了材料的摩擦系數(shù),而30CrMnSiA鋼滲氮層、氮碳共滲層及稀土共滲層的體積磨損率較淬火態(tài)試樣分別降低了74％、78%和82%,材料耐磨性顯著提高。淬火態(tài)試樣的磨損機(jī)制主要是以粘著磨損為主,局部有塑性變形,伴隨著表面疲勞及氧化;試驗(yàn)載荷的大小并不改變磨損機(jī)制,只影響磨損程度;滲氮層及氮碳共滲層的主要磨損機(jī)制均為程度不一的粘著磨損,沒有明顯塑性變形;而稀土共滲表層主要為輕微的粘著磨損,稀土的添加進(jìn)一步提高了材料的耐磨性。