不同材料渗氮层硬度测试载荷的选择研究

闫 卓

(沈阳工学院机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳 113122)

由于机械设备使用条件、应用环境等特殊原因,常对设备零件的表面质量提出高于材料本身标准的情况,即保持零件材料原力学性能的前提下,赋予其表面高硬度、高耐磨性和高腐蚀性的特点。表面渗氮处理具有表面高硬度和耐磨性、高抗蚀性和零件变形小的特点,广泛应用于实际工业生产中[1-3]。目前,对于材料渗氮处理的研究比较多,如靳曾博等分析了离子渗氮温度对310S钢耐腐蚀性能的影响[4]。牛毅等研究了渗氮工艺对304钢旋振筛机的使用寿命和物料纯净度的影响[5]。但对于渗氮层硬度测试载荷选择的研究报道很少,常规使用的载荷为5 kgf。随着技术的不断进步,不锈钢等特种材料进行渗氮处理逐渐增多,由于材料的特殊性,如果一律采用5 kgf载荷进行硬度测试,有可能会出现检测的渗氮层硬度与基体硬度相当,但采用显微硬度法检测渗氮层硬度时表现出不同的硬度。因此,采用5 kgf载荷进行硬度测试不能反映出实际零件的渗氮硬度,对不同渗氮零件的硬度测试载荷的选择至关重要。

本文以锻造成型的38CrMoAl钢、35CrMo钢、2Cr13钢及铸造成型的ZG1Cr13Ni钢作为试验材料,对不同材料进行渗氮处理后检测渗氮层硬度梯度以及不同载荷下的维氏硬度,为不同材料的渗氮层硬度测试载荷的选择提供参考。

1 试验材料与方法

试验材料38CrMoAl钢和35CrMo钢为电炉冶炼、炉外精炼后锻造成型;2Cr13钢为电炉冶炼、电渣重熔后锻造成型;ZG1Cr13Ni钢为铸造成型。4种不同材料调质处理后硬度见表1。

表1 渗氮试样

试样经调质处理后在离子氮化炉内进行渗氮处理,渗氮处理的基本原理与过程为:由零件自身作为“-”极,使之与炉体“+”极之间产生辉光放电反应,然后通入氨气,电荷将通入的氨气电离,电离出的氮离子飞溅到待渗氮零件表面,使零件表面生成硬度极高的氮化物。具体的渗氮工艺为:氮化环境为真空,且需保证真空度低于1×105Pa,氮化温度为530 ℃,保温30 h,氮化炉炉温使用电流控制。采用OLYCIAm3型金相显微镜观察渗氮试样的显微组织并测量渗氮层深度;使用马氏试剂腐蚀试样,采用显微硬度法对渗氮试样进行硬度测试,采用维氏硬度计对渗氮试样进行硬度测试,并且对两次测量结果进行对比分析。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

不同渗氮试样的显微组织如图1所示。由图1可知,不同渗氮试样的显微组织均由渗氮层和基体两部分组成,渗氮层区域的颜色较深,颜色较浅的区域为基体组织,渗氮层与基体组织分界明显。由于渗氮温度远低于各种材料的回火温度,因此基材的显微组织未发生明显变化。并测量不同渗氮试样的渗氮层深度,38CrMoAl钢、2Cr13钢、35CrMo钢和ZG1Cr13Ni钢的渗氮层深度分别为0.43、0.17、0.29和0.37 mm。

2.2 渗氮层硬度梯度

图2为负载0.2 kgf条件下不同渗氮试样的硬度梯度。由图2可知,随着距表面的距离逐渐增加,不同试样的渗氮层硬度均呈下降趋势。对于38CrMoAl和35CrMo渗氮试样,随距表面的距离增加,硬度下降趋势较为平缓,在深度超过渗氮层而到达基体时,硬度下降较为均匀,并未出现硬度明显下降的现象,这说明渗氮层和基体的硬度值相当,见图2(a)和2(b);而对于ZG1Cr13Ni和2Cr13渗氮试样,由渗氮层过渡到基体时,硬度值出现急剧下降,说明了渗氮层和基体的硬度值差距极大,见图2(c)和2(d)。

(a)38CrMoAl钢;(b)35CrMo钢;(c)ZG1Cr13Ni钢;(d)2Cr13钢图2 不同渗氮试样的的硬度梯度(a)38CrMoAl steel; (b)35CrMo steel; (c)ZG1Cr13Ni steel; (d)2Cr13 steelFig.2 Hardness gradient of different nitrided samples

图3为不同渗氮试样在不同载荷下的维氏硬度检测结果。由于不同渗氮试样的渗氮层深度不同,如果一律采用5 kgf载荷来检测渗氮层硬度,可能会出现所测得的硬度值并不是渗氮件实际硬度值的现象。如2Cr13钢,由于其渗氮层深度较浅,使用大载荷测试硬度时,硬度值仅为300 HV左右,与基材硬度相当,以此硬度值作为判断渗氮处理质量的优劣是不合理的。当渗氮层深度大于0.2 mm时,在不同载荷下渗氮层的维氏硬度值基本一致,无明显变化,如图3(a)、3(b)和3(c)所示。因此,对于38CrMoAl、35CrMo和ZG1Cr13Ni渗氮试样,由于其渗氮层深度较深,可以采用5 kgf载荷进行渗氮层硬度测试。当渗氮层深度小于0.2 mm时,在不同载荷下渗氮试样的维氏硬度值有明显的不同,如图3(d)所示。在5 kgf载荷下,2Cr13渗氮试样的渗氮层硬度值与基材硬度值相当,与实际硬度值有较大的偏差,由于渗氮层已经被硬度测试设备的金刚石压头击穿,检测的硬度实际为基体硬度,并不能真实反映渗氮层硬度。因此,2Cr13渗氮试样不适用采用5 kgf载荷进行硬度测试,可采用2 kgf或1 kgf载荷进行渗氮层硬度测试。

(a)38CrMoAl钢;(b)35CrMo钢;(c)ZG1Cr13Ni钢;(d)2Cr13钢图3 不同载荷下渗氮试样的维氏硬度(a)38CrMoAl steel; (b)35CrMo steel; (c)ZG1Cr13Ni steel; (d)2Cr13 steelFig.3 Vickers hardness of different nitrided samples under different loads

3 结论

1)相同渗氮工艺下,渗氮层深度由大到小依次为38CrMoAl钢、ZG1Cr13Ni钢、35CrMo钢和2Cr13钢。

2)在0.2 kgf载荷条件下,随着距表面的距离增加,不同渗氮试样的渗氮层硬度均呈下降趋势。

3)对于38CrMoAl、35CrMo和ZG1Cr13Ni渗氮试样,渗氮层深度大于0.2 mm时,可采用5 kgf载荷进行硬度测试;对于2Cr13渗氮试样,渗氮层深度小于0.2 mm时,可采用2 kgf或1 kgf载荷进行硬度测试。