35CrMo钢罐装法多段渗氮渗层组织与耐蚀性能

　　0 引 言

　　研究表明，罐装法渗氮具有经济、快速和设备简单的特点[1]。但如何在短时间内制备出优质的渗氮层，仍然是需要继续探讨的课题。钢的渗氮过程包括氮化介质(氨气)的分解、活性氮原子被工件表面吸收和氮原子向钢件内部扩散三个过程。为加速渗氮效率，可在不同的渗氮阶段调整温度和保温时间来获得最佳的渗氮效果，即采用多段渗氮工艺[2 -5]。35CrMo合金结构钢，有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性较40Cr高，高温下有高的蠕变强度与持久强度，长期工作温度可达500℃，主要用于制造承受冲击、弯扭、高载荷的各种机器中的重要零件，如轧钢机人字齿轮、曲轴、锤杆、连杆、汽轮发动机主轴等。文中以尿素做渗氮剂采用罐装法对35CrMo钢进行渗氮，来探讨多段渗氮工艺对渗氮层组织和耐蚀性能的影响。

　　1 材料与方法

　　1.1 实验材料

　　实验材料为35CrMo钢，渗氮前35CrMo钢进行调质处理，850℃×30min(水淬)+550℃×40min(高温回火)，以获得良好的综合性能。渗氮试样尺寸为10mm×10mm×10mm，耐蚀实验的试样尺寸为Ф15mm×3mm。渗氮前将样品表面用细砂纸打磨光滑，然后用丙酮擦洗进行除油。渗氮剂选用尿素，催渗剂为NH4Cl，其加入比例为2% 。

　　1.2 实验设备及工艺

　　将样品和渗氮剂放入钢罐中并密封，然后将钢罐放进电阻炉中进行加热渗氮。具体的多段渗氮工艺如图1所示，渗氮总的时间均为6h。

　　1.3 测试分析方法

　　渗氮层的显微组织采用XJP-3A型金相显微镜进行观察。渗层的物相分析在Rigaku D/maxRB型X射线衍射仪上进行。显微硬度利用MHV2000数显显微硬度计进行测试。利用CHl660B型电化学工作站测试在3.5%的NaCl溶液中渗氮试样的极化曲线，辅助电极为碳棒，参比电极为饱和的甘汞电极。

　　2 结果与讨论

　　2.1 渗氮层组织

　　图2为35CrMo钢采用不同的阶段渗氮工艺制备出的渗氮层组织。从图2中可以看出，采用三段渗氮工艺，获得的渗氮层厚度值最大，且渗氮层连续性较好。采用二段和四段工艺获取的渗氮层厚度次之，一段渗氮工艺制出的渗氮层厚度最薄。这表明三段氮化工艺比较符合密封罐法渗氮规律。对该工艺条件下制备出的渗氮层进行X 射线衍射分析，发现渗氮层主要由Fe-Cr相和Fe3N相组成，如图3所示。

　　由图2可以看出，采用三段渗氮工艺制备出的渗层较厚，连续性较好。分析认为: 在520℃渗氮3h后，钢表面形成一定厚度的渗层后，渗速快慢主要靠氮原子在钢中的扩散速度来决定，而决定扩散速度的主要因素是温度。此时将渗氮温度提高到600℃，可以有效提高氮原子在渗件表面的扩散速度。但同时长时间高温渗氮，会使钢表层和心部的组织粗大，硬度下降，氮化后渗件力学性能下降。因此，钢氮化温度在高温(600℃)保温一定时间后，再降至低温(520℃)，既提高了渗氮速度，提高表面耐蚀性，同时又保证了氮化件的综合性能。