表面粗糙度对38CrMoAl钢渗氮层组织和性能的影响

崔入威，林钰，高进，赵竹花，杨通，侯超前

中航力源液压有限公司 贵州贵阳 550018

1 序言

38CrMoAl钢是一种中碳合金渗氮钢，具有优良的渗氮性能，且渗氮层耐磨、耐蚀、疲劳强度高，以及综合力学性能优良等特点，该钢材在国防、航空航天及民用领域应用广泛，常被用来制备分油盘、柱塞、阀门、齿轮、镗杆及主轴等零部件。为获得理想的渗氮零部件综合性能，国内外诸多学者均进行了很多研究。刘豪等[1]研究了温度及时间对38CrMoAl钢奥氏体晶粒长大行为的影响并建立Sellars模型来验证其准确性。杨小军等[2]测定了38CrMoAl钢的连续冷却相变曲线，得出不同相变温度和冷却速度范围下的显微组织。王晨晨等[3]对比了介稳态热处理与调质处理对38CrMoAl钢渗氮后组织与硬度的影响。古璟等[4]对比了不同表面粗糙度对25Cr3MoA钢渗氮层深度和组织的影响。

有关38CrMoAl钢制零部件调质及渗氮组织、性能及其改善至今有大量的研究和著述，表面粗糙度对其渗氮层组织及性能的研究甚少。表面粗糙度对渗氮层组织及其性能的影响明显且其相关研究在工程推广应用上具有一定参考意义。为了研究表面粗糙度对渗氮层组织及性能的影响，对比研究了不同表面粗糙度试样渗氮层组织及性能。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

选用材料为38CrMoAl钢制试样（φ30mm×5mm），材料化学成分见表1。

表1 试验钢的化学成分（质量分数） （%）

2.2 试验设备

试验设备采用WZCⅡ-65真空淬火炉、VKA-120回火炉、TIME3234型表面粗糙度仪、RN-60-7渗氮炉、FM7600显微硬度计和GX71F光学显微镜。

2.3 试验方法及参数

试样经930℃保温40min油冷+570～600℃保温60min水冷调质处理后，采用机械加工或干式风动吹砂制备5个级别表面粗糙度渗氮试样，试样表面粗糙度均值为0.38μm、0.62μm、0.90μm、1.46μm及3.24μm，试样检测表面粗糙度后经520℃+28h+分解率25%～40%渗氮后，通氨气冷至120℃后出炉。最后试样采用GX71F光学显微镜观察显微组织，采用FM7600显微硬度计按硬度梯度法测定渗氮层深度。

3 结果及分析

3.1 金相组织

渗氮试样经磨、抛光后用4%硝酸酒精溶液擦拭3～4s，随后用蒸馏水冲洗试样表面，最后用酒精冲洗并烘干。金相试样制备完成后，在显微镜下放大100倍测量渗氮层深度并观察金相组织。不同表面粗糙度试样渗氮后金相组织如图1所示。组织由外表面向基体依次为白层ε相、扩散层γ＇相、α＇ 相（即含氮马氏体相），以及基体组成[5]。全部试样组织按照HB 5022—1994《航空钢制件渗氮、氮碳共渗金相组织检验标准》评定，心部组织为2级“索氏体+少量铁素体”，渗氮层组织为4级“渗氮索氏体+半连续细网状氮化物”。

图1 不同表面粗糙度试样渗氮后金相组织

3.2 表面硬度及脆性级别

不同表面粗糙度试样渗氮后表面硬度如图2所示。由图2可见，随着表面粗糙度均值增大渗氮层表面硬度略有降低，但不显著。不同表面粗糙度试样渗氮后表面脆性级别如图3所示。由图3可见，随着表面粗糙度均值增大，渗层表面脆性级别呈降低趋势。这说明38CrMoAl钢渗氮层表面硬度及渗氮层表面脆性与表面粗糙度相关。

图2 表面硬度

图3 表面脆性级别

3.3 硬度梯度及渗层深度

不同表面粗糙度试样渗氮层硬度梯度如图4所示。由图4可见，表面粗糙度均值较大时，渗氮层硬度梯度相对平缓，随着渗氮层深度增加，硬度不断减小并趋于基体硬度值。

图4 渗碳层硬度梯度曲线

不同表面粗糙度试样渗氮后渗层深度如图5所示。由图5可见，随着表面粗糙度均值增大，渗氮层的白层和扩散层也对应增厚。这说明渗氮层硬度梯度、渗氮层深度与表面粗糙度相关，硬度梯度随表面粗糙度均值增大而趋于平缓，渗氮层深度随表面粗糙度均值增大而加厚，且当表面粗糙度均值达到1.46μm后，渗氮层增厚速率减小且最后趋于稳定，当表面粗糙度均值达到3.24μm时，渗氮层白层和扩散层达到最大，分别达到24μm和360.8μm。

图5 渗层深度曲线

表面粗糙度对白层和渗氮层深度的影响值得关注，在相同渗氮条件下，表面粗糙度越低，所需渗氮时间越长[6]，一定范围内表面粗糙度较大时，具有更高的渗氮效率。一方面，适当粗糙的表面有利于氨中分解出活性氮原子[N]的吸附；另一方面，粗糙的表面增大了活性氮原子[N]与试样表面的接触面积，使单位时间能够吸附更多的活性氮原子[N]参与界面反应[7]。表面粗糙度较大的表面在渗氮吸收阶段具有较高的吸收能力，而较高的吸氮能力有利于获得较深的渗氮层。

4 结束语

1）表面粗糙度均值增大时，渗氮层的白层和扩散层也有对应增大的趋势。当表面粗糙度均值增大到Ra1.46μm后，渗氮效率趋于稳定；当表面粗糙度均值达到Ra3.24μm时，渗氮层白层和扩散层达到最大，分别达到24μm和360.8μm。

2）表面粗糙度均值增大时，渗氮层表面硬度略有降低，但不显著。表面脆性级别随表面粗糙度均值增大由3级降至2级。

3）渗层硬度梯度随表面粗糙度均值增大而趋于平缓，而平缓的硬度梯度有利于改善渗层的应力分布。