42CrMo鋼稀土微合金化對氣體滲氮性能的影響

陳 海, 崔 鼎

(陜西法士特汽車傳動集團有限責任公司, 陜西 西安 710119)

氣體滲氮是重要的化學熱處理工序之一,具有熱處理溫度低,零件畸變較小,表面硬度高,耐磨性、耐蝕性好等優點,因此在重要零部件的制造上得到了廣泛應用[1]。按照Fe-N合金相圖,滲氮溫度一般情況下要低于590 ℃(氮的共析溫度)。由于溫度低,氮原子在鐵素體中的擴散速度遠低于氮原子在奧氏體中的擴散速度,因而滲氮速度慢、能耗大、生產周期長。為了縮短氣體滲氮的工藝周期,生產中對預氧化、變溫多段滲氮及氣氛中加入稀土催滲劑等工藝方法進行了廣泛的研究,而對滲氮鋼的稀土微合金化對滲氮性能的影響研究較少。本文以典型的滲氮42CrMo鋼為對象,通過對無稀土處理鋼材與添加微量稀土元素的42CrMo鋼材在同種工藝下進行氣體滲氮試驗,研究稀土元素對滲氮性能的影響。

1 氣體滲氮的原理

氣體滲氮與其他化學熱處理一樣,滲氮過程包括滲氮介質的分解、擴散,相界面反應,滲入的氮元素在鐵中的擴散及形成氮化物等[2]。其化學方程式主要有:

2NH3→2[N]+3H2

(1)

Fe+[N]→Fe(N)

(2)

4Fe+[N]→Fe4N

(3)

(2～3)Fe+[N]→Fe2-3N

(4)

2Fe+[N]→Fe2N

(5)

鋼材表面吸收氮原子后優先形成氮在鐵素體中的飽和固溶體,然后再形成氮化物,隨著滲氮溫度的增加和滲氮時間的延長,氮原子從鋼材表面向心部擴散,進而形成具有一定深度的滲氮硬化層。由于含氮量不同,在不同溫度下滲氮時,會出現α、γ、γ′、ε、ζ等5種不同相中的一種或幾種相組成的顯微組織。影響滲層形成和長大過程的主要因素有爐內氮勢,鋼材對活性氮原子的吸附能力以及氮原子在鋼中的擴散能力等。

2 試驗材料與方法

試驗材料為42CrMo鋼,采用50 kg煉鋼試驗爐進行冶煉,熔煉過程為:電爐冶煉+爐外精煉+真空脫氣。其中一爐鋼不添加稀土,另一爐鋼添加質量分數為0.03%的稀土,稀土為混合稀土,主要含量為鑭(La)、鈰(Ce)等。42CrMo鋼的化學成分見表1。將兩種試驗鋼進行相同工藝的鍛造、正火、調質處理,經精車精磨后加工成φ20 mm×50 mm的圓柱形試棒(Ra<0.5 μm)。

表1 42CrMo鋼的主要化學成分(質量分數,%)

試驗設備采用KREs5/2-90/85/1500CN型箱式氣體氮化爐,爐溫均勻性≤5 ℃,配備氫探頭和質量流量計對氮勢進行控制。滲氮介質為液氨,經前端純化后通入爐內。熱處理工藝采用常見的二段式滲氮工藝,工藝曲線如圖1所示。

圖1 氣體滲氮工藝Fig.1 Gas nitriding process

滲氮后用切割機切取試樣,鑲樣法制備成金相試樣,利用Tukon-2100B型維氏顯微硬度計(載荷選用4.9 N)測量滲氮后的硬度曲線和有效硬化層深;用奧林巴斯GX71型光學顯微鏡觀察滲氮層顯微組織。檢測標準采用法士特集團企標S70006。

3 試驗結果與分析

3.1 表面硬度及滲氮層深

在如圖1所示相同工藝條件下,對兩種材料進行氣體滲氮工藝試驗,滲氮層硬度檢測結果如圖2所示。通過對硬度曲線分析可以發現:①添加稀土元素試樣的表面硬度由570 HV0.5提高到630 HV0.5,增加約60 HV0.5,明顯高于未添加稀土元素試樣。但隨著距表面距離越來越遠,這種差異越來越小。②滲氮層深由0.37 mm提高到0.46 mm,加深0.09 mm。表明稀土元素的添加能夠顯著提高氣體滲氮后零件的表面硬度和滲氮層深度。

圖2 無添加稀土和添加稀土試樣滲氮層硬度比較Fig.2 Comparison of hardness of nitriding layer in specimen without rare earth addition and with rare earth addition

這是因為稀土元素具有典型的4f電子結構,電負性很低,化學特性非常活潑,能夠與多種非金屬產生較好的化合作用[3]。稀土元素的原子半徑一般在173.5～187.9 pm之間,較鐵原子大40%左右。當鋼材中加入稀土元素時,有原子尺寸效應,使稀土元素在鐵中的固溶度很小,主要偏聚于晶界、亞晶界及其他微觀晶體缺陷,會引起周圍鐵原子點陣的畸變,進而使得缺陷密度增值,滲入的氮原子優先在畸變區偏聚,形成原子氣團[4]。當濃度達到一定值后,將成為第二相氮化物的形核核心,從而促進了氮化物均勻形核和沉淀,同時也避免了氮化物沿晶界的偏聚以及脈狀組織的產生,表面硬度也得到提高[5]。同時,在擴散過程中,稀土元素還具有吸附作用,在表面形成較高的氮濃度,增大與內層的濃度差,有利于氮原子的擴散,促進滲氮過程,從而使滲氮層深加深。

3.2 顯微組織

圖3(a,b)為未添加稀土和添加稀土元素兩種試樣心部的顯微組織,兩組試樣的心部組織形貌基本一致,為均勻分布的回火索氏體加少量游離鐵素體。可見稀土元素的加入不影響心部顯微組織。

圖3 未添加稀土(a,c)和添加稀土元素(b,d)試樣的顯微組織(a,b)心部;(c,d)滲氮層Fig.3 Microstructure of the specimen without(a,c) and with(b,d) rare earth elements addition(a,b) core; (c,d) nitrided layer

圖3(c,d)是未添加稀土與添加稀土兩種試樣滲氮層的顯微組織。滲層主要由白亮層(ε相)和擴散層(α相)組成,對其進行比較可知,在相同工藝條件下,添加微量稀土元素試樣的白亮層厚度約為16 μm,常規材料約為12 μm,可見稀土微合金化后白亮層明顯增厚,這說明稀土元素對氮原子的滲入有明顯的促進作用。同時白亮層更加致密,氮化組織晶粒更細小,這意味著稀土微合金化材料的試樣較未添加稀土試樣有更好的耐蝕性能。

對比兩種材料的脈狀組織可見,未添加稀土試樣在擴散層存在平行于表面的脈狀組織,級別為2級;而添加稀土元素的試樣只有極少量脈狀組織存在,級別為1級。這是因為稀土氮化物一般呈準球狀均勻彌散分布,能使工件機體缺陷密度增殖,不易產生片狀氮化物并長大,也不易形成網狀、脈狀組織。

4 結論

1) 稀土微合金化具有明顯的催滲作用,能夠顯著提高42CrMo鋼的表面硬度及滲氮層深。

2) 添加稀土元素的42CrMo鋼,經滲氮處理后,白亮層((Fe2-3N))增厚,滲層脈狀組織減少、耐蝕性提高。