剛性支撐結構水輪機支撐件表面滲氮處理檢測的研究

摘 要：剛性支撐結構水輪機支撐件表面滲氮處理呈現硬度值不穩定、不均勻、硬度值偏高、表面硬度壓痕碎裂嚴重，滲氮層脆性等級比較高等現象，采用對比分析及大批量測試數據統計分析的方法對滲氮工件的滲氮表面硬度、滲氮層深度、滲氮層脆性進行詳細研究。

關鍵詞：滲氮層；化合物層；維氏硬度

1 前言

磨損、斷裂和腐蝕是金屬材料制件的三種主要失效形式，為了提高機械零件的耐磨性和抗蝕性，從而提高機電產品質量、節省材料、節省能源，鋼鐵材料的滲氮工藝因具有獨特的優勢而出現，并不斷地發展起來，滲氮是應用廣泛的一種表面化學熱處理技術，它的主要目的是基本不改變工件尺寸和自身性能的情況下得到較高的表面硬度、改進耐磨性能、增強疲勞壽命和更好的耐蝕性能。本文針對38CrMoAl支撐件滲氮處理后維氏硬度測量壓痕碎裂現象嚴重測量困難，對滲氮層維氏硬度測量壓痕碎裂現象進行研究，分析滲氮試樣滲氮表面硬度與滲氮層深度、滲氮層脆性的關系，找出壓痕碎裂原因，提高滲氮層硬度檢測準確度。

2 研究方法

首先將試樣表面拋光，然后任意選取試樣的表面的若干個點選擇10kgf、5kgf、1kgf等試驗力載荷進行維氏硬度測試，并記錄壓痕情況及硬度數值；用HVS-50數顯維氏硬度計10kgf試驗力載荷，按照GB/T11354-2005鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗，對每個試樣測量3點進行脆性分析。

3 數據整理分析

3.1 數據整理

本次研究共采用10件38CrMoAl隨爐試塊，性能測試結果總結如下：

從試塊壓痕碎裂測量情況可以看出在維氏硬度測量中只有完好壓痕及一角碎裂的一部分可以測量，其它碎裂情況全不可以測量，為了能夠測量滲氮層硬度情況，我們從載荷選擇、滲氮層等方面進行了詳細分析。

3.2 分析

3.2.1 試驗力載荷選擇分析

通過下圖可以看出不同試驗力下產生的壓痕，對于Ⅰ，壓頭作用于滲氮層上，反映的是滲氮層的硬度，對于Ⅱ、Ⅲ壓頭擊穿滲氮層，反應的不是滲氮層的表面硬度，本次研究所選擇的試驗力載荷都應與Ⅰ相符。

本次研究滲氮產品滲氮層深度一般在0.5mm-0.7mm，因標準中規定試驗層深度至少應為壓痕對角線長度的1.5倍，取3倍條件下測量就完全不受基體硬度的影響。即：

只要選擇15kgf以下的試驗力載荷就可以滿足不擊穿滲氮層深度，本次研究選擇最大試驗力載荷為10kgf符合標準要求。

3.2.2 滲氮層分析

對38CrMoAl強化滲氮的溫度應在500℃-550℃，工件表面高濃度的N原子向內部擴散，先在α-Fe中形成固溶體，隨著表面原子濃度的提高，逐漸形成γ′（Fe4N）相，滲層組織最表面為ε相（Fe2-3N），向內為ε相+γ′（Fe4N）相，再向內有一層γ′相，γ′相以下為N在α-Fe中的固溶體。氣體氮化易形成ε相和γ′相混合的化合物層，過高的γ′（Fe4N）相會導致化合物層變脆，但ε（Fe2-3N）相含量過高時，化合物層硬度又不夠高，通常當γ′（Fe4N）相和ε（Fe2-3N）相比例一定時，化合物層表面硬度是最高，性能也是最好的，一般滲氮層深度在0.50mm～0.75mm之間，化合物層深度最好在0.010mm～0.025mm。

表2 10件隨爐試塊的滲氮層深度及化合物層深度的測量結果表

本次研究對10塊隨爐試塊進行了滲氮層深度及化合物層深度的測量，通過滲氮層深度及化合物層深度測量數據及金相組織圖像可以看出，化合物層深度均超過0.025mm，且3#試塊的化合物層深度高達0.042mm，其維氏硬度高達1140HV1，其維氏硬度測量壓痕碎裂比較嚴重，脆性級別5級；而8#試樣的化合物層深度只有0.026mm，而維氏硬度是970HV1，其維氏硬度測量壓痕碎裂現象也相對減少，脆性級別為2級；其中1#、4#、9#試樣滲氮層中有大量脈狀氮化物，這些粗大的氮化物會使滲氮層變脆，這兩個原因均使維氏硬度測量壓痕碎裂嚴重。

這樣我們就找到了造成滲氮層維氏硬度測量壓痕碎裂的原因，主要就是由于化合物層深度過深及氮化層中存在粗大的脈狀氮化物，這使滲氮層維氏硬度測量壓痕碎裂嚴重，試樣的脆性級別增大，脆性過大會導致滲氮層表面剝落，而使滲氮工件報廢。滲氮層表面硬度、脆性級別和金相組織是重要的滲氮層性能檢驗指標，它們是相互制約的關系，只有滿足合適的表面硬度及較高的脆性級別和合格的金相組織，才能使滲氮工件起到耐磨和抗腐蝕性作用。

化合物層深度過深及粗大的脈狀氮化物均與滲氮的溫度、時間、氨分解率及滲氮件表面粗糙度等因素有關，滲氮工件起到耐磨和抗腐蝕性作用只有選擇相應的滲氮的溫度、滲氮時間、氨分解率及滲氮件表面粗糙度等滲氮最佳工藝方案，才可獲得最佳的氮化效果，對38CrMoAl強化滲氮的溫度建議應在500℃-550℃范圍內，滲氮時間以能使化合物層致密為宜，常用氨分解率為15%-40%，滲氮件處理前表面粗糙度Ra以1.6μm-0.8μm為宜。

4 總結

4.1 通過這次對滲氮層硬度測量的研究找到了維氏硬度測量壓痕碎裂的主要原因是化合物層深度過深及氮化層中存在粗大的脈狀氮化物。

4.2 通過這次研究也對滲氮層硬度測量總結出一些重要經驗，試樣制備對硬度測量結果有較大影響，應以剛好磨掉化合物外層的疏松而不損傷化合物層為好，磨得太輕，化合物外層疏松沒有完全去掉，測得的硬度值偏低，磨得太重，化合物層磨掉太多，也會使測得的硬度偏低；測量時取3個具有代表性的視場量測，每個視場測5點，去掉最大值和最小值，取3點平均值為最終的判定結果；國家標準里對試驗力載荷對應深度沒有一個具體的標準規定，滲氮層的硬度用多少試驗力載荷來測量要看滲氮層的深度度有多深，試驗力載荷過大使滲氮層擊穿，試驗力載荷過小壓痕測量不精確，不確定度分量增大，在不擊穿滲氮層的情況下盡量選擇大一些的試驗力載荷。