42CrMo钢稀土微合金化对气体渗氮性能的影响

陈 海, 崔 鼎

(陕西法士特汽车传动集团有限责任公司, 陕西 西安 710119)

气体渗氮是重要的化学热处理工序之一,具有热处理温度低,零件畸变较小,表面硬度高,耐磨性、耐蚀性好等优点,因此在重要零部件的制造上得到了广泛应用[1]。按照Fe-N合金相图,渗氮温度一般情况下要低于590 ℃(氮的共析温度)。由于温度低,氮原子在铁素体中的扩散速度远低于氮原子在奥氏体中的扩散速度,因而渗氮速度慢、能耗大、生产周期长。为了缩短气体渗氮的工艺周期,生产中对预氧化、变温多段渗氮及气氛中加入稀土催渗剂等工艺方法进行了广泛的研究,而对渗氮钢的稀土微合金化对渗氮性能的影响研究较少。本文以典型的渗氮42CrMo钢为对象,通过对无稀土处理钢材与添加微量稀土元素的42CrMo钢材在同种工艺下进行气体渗氮试验,研究稀土元素对渗氮性能的影响。

1 气体渗氮的原理

气体渗氮与其他化学热处理一样,渗氮过程包括渗氮介质的分解、扩散,相界面反应,渗入的氮元素在铁中的扩散及形成氮化物等[2]。其化学方程式主要有:

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)

钢材表面吸收氮原子后优先形成氮在铁素体中的饱和固溶体,然后再形成氮化物,随着渗氮温度的增加和渗氮时间的延长,氮原子从钢材表面向心部扩散,进而形成具有一定深度的渗氮硬化层。由于含氮量不同,在不同温度下渗氮时,会出现α、γ、γ′、ε、ζ等5种不同相中的一种或几种相组成的显微组织。影响渗层形成和长大过程的主要因素有炉内氮势,钢材对活性氮原子的吸附能力以及氮原子在钢中的扩散能力等。

2 试验材料与方法

试验材料为42CrMo钢,采用50 kg炼钢试验炉进行冶炼,熔炼过程为:电炉冶炼+炉外精炼+真空脱气。其中一炉钢不添加稀土,另一炉钢添加质量分数为0.03%的稀土,稀土为混合稀土,主要含量为镧(La)、铈(Ce)等。42CrMo钢的化学成分见表1。将两种试验钢进行相同工艺的锻造、正火、调质处理,经精车精磨后加工成φ20 mm×50 mm的圆柱形试棒(Ra<0.5 μm)。

表1 42CrMo钢的主要化学成分(质量分数,%)

试验设备采用KREs5/2-90/85/1500CN型箱式气体氮化炉,炉温均匀性≤5 ℃,配备氢探头和质量流量计对氮势进行控制。渗氮介质为液氨,经前端纯化后通入炉内。热处理工艺采用常见的二段式渗氮工艺,工艺曲线如图1所示。

图1 气体渗氮工艺Fig.1 Gas nitriding process

渗氮后用切割机切取试样,镶样法制备成金相试样,利用Tukon-2100B型维氏显微硬度计(载荷选用4.9 N)测量渗氮后的硬度曲线和有效硬化层深;用奥林巴斯GX71型光学显微镜观察渗氮层显微组织。检测标准采用法士特集团企标S70006。

3 试验结果与分析

3.1 表面硬度及渗氮层深

在如图1所示相同工艺条件下,对两种材料进行气体渗氮工艺试验,渗氮层硬度检测结果如图2所示。通过对硬度曲线分析可以发现:①添加稀土元素试样的表面硬度由570 HV0.5提高到630 HV0.5,增加约60 HV0.5,明显高于未添加稀土元素试样。但随着距表面距离越来越远,这种差异越来越小。②渗氮层深由0.37 mm提高到0.46 mm,加深0.09 mm。表明稀土元素的添加能够显著提高气体渗氮后零件的表面硬度和渗氮层深度。

图2 无添加稀土和添加稀土试样渗氮层硬度比较Fig.2 Comparison of hardness of nitriding layer in specimen without rare earth addition and with rare earth addition

这是因为稀土元素具有典型的4f电子结构,电负性很低,化学特性非常活泼,能够与多种非金属产生较好的化合作用[3]。稀土元素的原子半径一般在173.5～187.9 pm之间,较铁原子大40%左右。当钢材中加入稀土元素时,有原子尺寸效应,使稀土元素在铁中的固溶度很小,主要偏聚于晶界、亚晶界及其他微观晶体缺陷,会引起周围铁原子点阵的畸变,进而使得缺陷密度增值,渗入的氮原子优先在畸变区偏聚,形成原子气团[4]。当浓度达到一定值后,将成为第二相氮化物的形核核心,从而促进了氮化物均匀形核和沉淀,同时也避免了氮化物沿晶界的偏聚以及脉状组织的产生,表面硬度也得到提高[5]。同时,在扩散过程中,稀土元素还具有吸附作用,在表面形成较高的氮浓度,增大与内层的浓度差,有利于氮原子的扩散,促进渗氮过程,从而使渗氮层深加深。

3.2 显微组织

图3(a,b)为未添加稀土和添加稀土元素两种试样心部的显微组织,两组试样的心部组织形貌基本一致,为均匀分布的回火索氏体加少量游离铁素体。可见稀土元素的加入不影响心部显微组织。

图3 未添加稀土(a,c)和添加稀土元素(b,d)试样的显微组织(a,b)心部;(c,d)渗氮层Fig.3 Microstructure of the specimen without(a,c) and with(b,d) rare earth elements addition(a,b) core; (c,d) nitrided layer

图3(c,d)是未添加稀土与添加稀土两种试样渗氮层的显微组织。渗层主要由白亮层(ε相)和扩散层(α相)组成,对其进行比较可知,在相同工艺条件下,添加微量稀土元素试样的白亮层厚度约为16 μm,常规材料约为12 μm,可见稀土微合金化后白亮层明显增厚,这说明稀土元素对氮原子的渗入有明显的促进作用。同时白亮层更加致密,氮化组织晶粒更细小,这意味着稀土微合金化材料的试样较未添加稀土试样有更好的耐蚀性能。

对比两种材料的脉状组织可见,未添加稀土试样在扩散层存在平行于表面的脉状组织,级别为2级;而添加稀土元素的试样只有极少量脉状组织存在,级别为1级。这是因为稀土氮化物一般呈准球状均匀弥散分布,能使工件机体缺陷密度增殖,不易产生片状氮化物并长大,也不易形成网状、脉状组织。

4 结论

1) 稀土微合金化具有明显的催渗作用,能够显著提高42CrMo钢的表面硬度及渗氮层深。

2) 添加稀土元素的42CrMo钢,经渗氮处理后,白亮层((Fe2-3N))增厚,渗层脉状组织减少、耐蚀性提高。