氣體軟氮化對Cr12鋼微觀組織及摩擦學性能影響

季德惠，張金洲，2，熊光耀，沈明學，2

（1.華東交通大學材料科學與工程學院，江西 南昌 330013；2.浙江工業大學材料科學與工程學院，浙江 杭州 310032）

1 引言

Cr12是一種常用的冷作模具鋼，具有高硬度、較好的淬透性和良好的耐磨性，在沖壓模具中具有廣泛的應用[1]。冷沖模具在實際使用過程中表面承受壓力大、局部應力集中，常常出現表面磨損、疲勞斷裂等失效形式，因而使模具的實際使用壽命低于設計時預期的使用壽命[2]。而通過傳統的材料熱處理方式來提高的材料使用壽命是有限的，因此需要通過表面工程等手段進一步提高模具的服役性能。

滲氮強化是材料表面強化的主要手段之一。應用氣體軟氮化技術可縮短材料的滲氮周期，并且在一定程度上降低白亮層脆性。與其他材料表面強化工藝相比，軟氮化還具有材料變形小、工藝應用范圍廣、可顯著提高工件使用性能等特點，因此軟氮化在實際生產中得到了廣泛應用[3?6]。近年來，許多學者對軟氮化工藝進行過深入研究。

文獻[7]對曲軸進行氣體軟氮化強化處理，得到的處理件表面的抗磨、抗疲勞、抗腐蝕性能均有不同程度的提高。文獻[8]對Zr4合金分別進行了軟氮化和離子氮化處理，結果表明Zr4合金經軟氮化處理后的氮化層相較于離子氮化層微觀組織更為致密且表面顯微硬度顯著提升，X射線衍射儀檢測發現軟氮化層的Zr和O化合物比離子氮化物的衍射峰更為明顯。

盡管軟氮化技術經過多年發展日趨成熟，但針對模具鋼的軟氮化處理則鮮有報道，且材料在軟氮化后表面的顯微組織和摩擦磨損性能及機理的研究較少且不夠深入。因此，本工作對Cr12模具鋼進行了氣體軟氮化處理，對比分析了氮化處理前后表面微觀組織和摩擦學性能的變化，以期為模具滲氮表面強化工藝提供理論指導。

2 試樣制備與試驗方法

2.1 試樣制備

Cr12屬于高碳高鉻萊氏體鋼，本工作選用的實驗材料以退火狀態出廠，其化學成分（質量分數，下同），如表1所示。

表1 Cr12模具鋼化學成分（質量分數，%）Tab.1 Chemical Composition of Cr12 Mold Steel（Mass Fraction，%）

采用線切割機將原始Cr12鋼板切成尺寸為（50×15×10）mm的試樣，隨后經調質處理（最終熱處理狀態）獲得較好的綜合力學性能，再將試樣依次用由粗到細的金相砂紙打磨光滑并在拋光機上拋光處理后（打磨后試樣表面粗糙度Ra在0.04 μm以下），用去離子水和無水乙醇清洗，吹干待用。將試樣分為兩組，一組作為對比參考的氮化前試樣，另一組試樣利用RN70?6脈沖井式氮化爐進行軟氮化處理，記為氮化后試樣。滲氮工藝為：（1）試樣進爐；（2）升溫至560℃排氣；（3）560℃保溫360 min；（4）≤150℃出爐。氮化后的Cr12鋼表面在掃描電鏡下的形貌，如圖1所示。

圖1 氮化處理后的Cr12鋼表面形貌Fig.1 Surface Morphology After Nitrided Cr12 Steel Sample

2.2 試驗方法

將所制備的氮化Cr12鋼試樣的截面打磨拋光處理后用4%的硝酸酒精腐蝕劑進行侵蝕，采用金相光學顯微鏡觀察滲氮后試樣截面處的顯微組織；利用EDS 能譜儀（BRUKER，Quantax200 XFlash6/60）測得氮化后試樣截面處的各元素分布密度；利用HV?1000IS顯微硬度儀測量氮化前后Cr12鋼試樣表面的維氏硬度，硬度值測量3個不同位置并取平均值。

采用UMT?3多功能摩擦磨損試驗機測量Cr12鋼滲氮前后的摩擦系數，試驗參數，如表2所示。對磨副選用GCr15鋼球；完成磨損試驗后利用光學三維輪廓儀（Zygo，ZeGageTMPro HR，USA）測得Cr12鋼氮化前后二維和三維磨痕輪廓；采用SU8010型場發射掃描電子顯微鏡觀察磨損表面形貌；以及采用EDS能譜儀（BRUKER，Quantax200 XFlash6/60）分析磨損表面區域的元素組成及分布。

表2 磨損試驗實驗參數Tab.2 Wear Test Experimental Parameters

3 試驗結果與討論

3.1 材料的顯微組織及硬度

金相顯微鏡下觀察氮化處理后Cr12鋼截面的金相組織，如圖2所示。從圖中可以清晰的看到滲氮層，滲氮層與基體結合良好，從距表面較深的基體中可以發現鋼在凝固過程中出現的成分偏析現象。滲氮層可由白亮層與擴散層兩部分組成，滲氮層的相組成由表及里依次為ε→γ′→α＋γ′→α，在滲氮過程中首先在表面形成不飽和的α?Fe固溶體層，隨著α相中氮元素含量的增加，在達到最大溶解度后發生相變形成γ′相，之后達到氮在γ′相中最大溶解度后又形成ε相[9]。圖2中顯示白亮層的厚度為2.96μm，擴散層厚度為15.92μm，總滲氮層厚度約20μm。

圖2 氮化后Cr12鋼試樣的截面金相組織Fig.2 Metallographic Structure of the Section After Nitrided Cr12 Steel

通過EDS能譜儀線掃分析得到N元素含量與距表面深度關系的曲線圖，如圖3所示。從圖中可以看出N元素含量在（0~20）μm內出現明顯的峰值，并結合金相分析中滲氮層深度約為20 μm的結論，綜合可得：N元素在距表面20μm內含量較高且氮元素含量隨深度的增加呈逐漸下降趨勢。

圖3 氮化后Cr12鋼試樣中N元素EDS線掃曲線圖Fig.3 EDS Line Scanning Curve of the N Element in Nitrided Cr12 Steel

材料表面硬度對耐磨性有重要的影響。因此，對Cr12鋼氮化前后的硬度進行測定，得到Cr12鋼氮化前后的表面平均維氏硬度由HV50=504.8 提高到HV50=653.4，由此可見氮化Cr12 鋼的硬度較基體有顯著的提高。

3.2 摩擦磨損性能

氮化前后Cr12鋼摩擦系數隨循環次數的變化曲線，如圖4所示。由圖可見，摩擦磨損試驗過程由磨合階段和穩定階段組成。在最初的幾十次循環（即磨合階段）中，樣品的摩擦系數均迅速增加，且浮動較大，其原因在于磨損初期材料表面的微凸體阻礙了摩擦副相對運動的發生，使得摩擦副實際的接觸面積發生變化；隨后經過約100次循環后進入穩定階段，最終得到氮化前后Cr12鋼的摩擦系數分別為0.44和0.61，上述結果表明Cr12鋼經氮化處理后的摩擦系數提高。

圖4 氮化前后Cr12鋼摩擦系數與循環次數的時變曲線圖Fig.4 Time?Varying Curve of Friction Coefficient and Cycle Numbers of Cr12 Steel Before and After Nitriding

為了定量的分析試樣的損傷程度，對氮化前后Cr12鋼試樣的磨痕輪廓進行了測定。氮化前與氮化后Cr12鋼試樣磨損表面的三維/二維截面輪廓，如圖5所示。經數據處理，得到兩組試樣磨損溝壑的磨損量、表面粗糙度和最大磨痕深度，如表3所示。

表3 磨損表面參數對比分析Tab.3 Comparative Analysis of Wear Surface Parameters

圖5 氮化前后Cr12鋼試樣磨損表面的三維/二維截面輪廓Fig.5 Two?Dimensional Section Wear Curve and Three?Dimensional Topography of Wear Gully of Cr12 Steels：

通過對比圖5（a）與圖5（b）可發現氮化前試樣的磨損溝壑表面非常粗糙，而氮化后的試樣表面則較為平整，對比表3數據可知氮化后試樣的最大磨痕深度遠低于氮化前試樣，且磨損量由42969.6μm3減少到3068.1μm3，這說明氮化前試樣在摩擦過程中磨損表面存在嚴重的大面積剝落，隨著磨損的進行，且在循環應力下不斷地形成、剝落，導致磨痕深度及磨損量均較大，而氮化后試樣則在氮化層的保護下耐磨性得到顯著提高，可以大大延長使用壽命。

3.3 磨損形貌及元素分析

氮化前后Cr12 鋼試樣磨損表面的SEM 照片，如圖6 所示。從圖6（a）中可以觀察到氮化前試樣的磨損表面存在較多片狀剝落，劃痕寬且深，磨痕邊緣的凸起表明塑性變形嚴重，此時磨損機制以疲勞磨損為主。圖6（b）為Cr12鋼試樣氮化處理后的磨損表面形貌，與氮化前試樣相比可發現經氮化處理的試樣表面損傷較輕，表面較為光滑，磨損表面未見片狀剝落特征而犁溝布滿了整個磨痕表面，此形貌與圖5 磨損輪廓的三維形貌圖相吻合。此時，試樣表面磨損機制為典型的磨粒磨損特征，屬于輕微磨損階段，這得益于材料表面氮化層硬度的提高使得表面膜不易脫離，使材料抵抗塑性變形的能力提高，耐磨性能提高。

圖6 氮化前后Cr12鋼試樣表面磨損形貌Fig.6 Wear Surface Morphology：（a）Before nitriding；（b）After nitriding

為了探究軟氮化對Cr12鋼磨損表面氧化的影響及不同損傷特征下的元素分布情況，圖7給出了氮化處理前后Cr12鋼磨痕的典型磨損形貌及其表面N、O元素分布情況。從圖7（b）、圖7（e）可得氮化處理后Cr12鋼試樣表面N元素分布均勻，且表面的氮元素含量得到顯著提高；對比圖7（c）、圖7（f）可發現氮化前試樣磨損表面的O元素分布密度及含量明顯高于氮化后的Cr12鋼試樣，且O元素多富集在黑色剝層區域（虛線框內），說明黑色剝層區域為磨損表面經一定程度氧化后形成的氧化層。這是由于材料在摩擦過程中產生了大量的摩擦熱，導致材料表面發生軟化，從而發生粘著轉移，這些粘著物在高溫且空氣狀態下極易發生氧化，從而呈現出黑色。由此可見，氮化前和氮化后的Cr12鋼試樣磨損表面除疲勞磨損和磨粒磨損外還伴隨著一定程度的氧化磨損，且氮化前試樣磨損表面的氧化程度相比氮化處理后的試樣更為嚴重，另外在磨損實驗中材料表面的氧化磨屑不斷形成且剝落夾入到對磨副中起到了一定的潤滑作用，從而使得摩擦系數降低，此與圖4及圖5的結果相吻合。

圖7 氮化前后Cr12鋼試樣磨損表面N、O元素分布對比圖Fig.7 Comparison of the Distribution of N and O Elements on the Wear Surface of Samples：（a）Cr12 Steel Sample Before Nitriding；（b）N Element Distribution；（c）O Element Distribution；（d）Cr12 Steel Sample After Nitriding；（e）N Element Distribution；（f）O Element Distribution

以上結果表明Cr12鋼經氮化處理后表面的抗氧化性能得到了很大的提高。這可能與材料經過氮化后其表面形成的氮化層具有一定的耐腐蝕性有關[10]。

氮化后的Cr12鋼表面由于N原子含量較高，在滲氮層中存在以Fe3N、Fe4N等為基的固溶體[9]，阻止了基體與空氣介質發生化學腐蝕，從而保護了表面的退化。滲氮后形成的含氮固溶體具有較好的耐腐蝕性、較高的硬度等特點，使得氮化Cr12鋼試樣磨損后表面的疲勞剝落與氧化腐蝕區域減少。因此，N元素的富集可以很大程度上改變材料表面的磨損機制。

表4 磨損表面的元素含量（原子分數，%）Tab.4 Elemental Content of the Wear Surface（Atom Fraction，%）

4 結論

（1）Cr12鋼經氣體軟氮化處理后在光鏡下可明顯辨別出由白亮層和擴散層組成的滲氮層，其中白亮層厚度約3μm左右、擴散層深度達20μm以上，EDS線掃發現白亮層氮元素含量較高，而在擴散層氮元素沿深度方向呈遞減分布。

（2）Cr12 鋼氮化前后試樣表面硬度分別為HV50=504.8 和HV50=653.4；Cr12鋼經氮化后的磨損表面粗糙度由6.63μm 降低到0.18μm，磨損量由42969.6μm3減少到3068.1μm3，其表面硬度及耐磨性能均有顯著提高。

（3）氣體軟氮化處理的Cr12鋼磨損表面較為平整，其磨損機制以磨粒磨損為主；而未氮化處理的磨損表面疲勞剝落特征顯著，并伴隨著強烈的氧化磨損現象。因此，氣體軟氮化工藝顯著提高了Cr12模具鋼的綜合性能，是一種極為有效的強化手段。