40Cr钢经不同渗氮工艺处理后的性能研究

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《金属热处理》2003 年第28 卷第7 期
1 引言
s 。在阳极极化的过程中，当渗氮层被击穿时（产生空
为提高钢材的表面硬度、耐磨性、疲劳强度及抗 蚀时）腐蚀电流激增。将腐蚀电流激增处的电极电
腐蚀能力，在工业生产中常对钢材进行表面渗氮处 位，标记为击穿电位。
理。随着科学技术的进步，钢的渗氮技术与工艺得 3 试验结果
从现有资料中，还不能准确分析出 Ce 、La 的存 在形式，说 明 其 化 合 物 结 构 很 复 杂，有 待 进 一 步 探
讨。
3 结论
（1 ）离子注入试样表层硬度远高于未注入试样 表层和基体，使材料表面存在很大硬度梯度，注入层
类似于在材料表面形成一层“硬壳”。
（2 ）注入Al REti B + + N + 能大幅度提高 H13 钢 表层的纳米硬度。
［2 ］ 赵 青，等. 温度对氮离子注入的 Cr12 MoV 表面性能影响［J ］. 微细加工技术，2000 ，4 ：14- 20 .
［3 ］ 王 超，等. Cu 离子和 Al 离子注入 M2 钢表面改性研究［J ］. 核 技术，2001 ，24（4 ）：295- 299 .
［4 ］ 黄拿灿，等. 工模具钢的金属离子注入及其强化机理［J ］. 热加工 工艺，2000 ，2 ：8- 10 .
20 mi n 油淬，540 C > 90 mi n 回火。
气体渗氮采用两段渗氮工艺：d500 C > 30h ；i
510 C > 40h ，气氛均为氨气。气体氮碳共渗的工艺
为570 C > 5h ，介质为氨气和甲醇。离子渗氮的工艺
为570 C > 5h ，渗氮介质为氨气。
利用金相显微镜和 X 射线衍射仪分析渗氮层的 组织和结构。利用显微维氏硬度计测量渗氮后钢的
从 XPS 全谱中可以看出，注 Al REti B + + N + 试 样表层含氧特 别 高，说 明 其 表 面 氧 化 严 重。在 AlREti B + + N + 注入试样中，稀土 Ce + 、La + 的结合能 分别为886. 1e V、835. 2e V；N + 的结合能为398. 1e V、 399. 7e V、403. 5e V；Al + 的结合能为74. 1e V。结合能 为398. 1e V，说 明 有 一 种 氮 化 物 为 BN ；结 合 能 为 74. 1e V ，说明 Al + 以 Al N 形式存在［8 ］。大量硬质的 BN 、Al N 均匀分布在1 号试样表层，造成了1 号试样 表层的纳米硬度较高。
图1 经不同工艺渗氮后38Cr MOAl A、40Cr 钢的硬度 Fi g. 1 ~ardness Of 38Cr MOAl A and 40Cr steels after diff erent nitri di ng prOcesses
3. 3 摩擦磨损性能 经不同工艺渗氮后38 Cr MOAl A、40 Cr 钢的摩擦
WANG Ji- hui ，FANG da-ran ，ZHANG Kun （School of Materi als Science and Engi neeri ng ，ti anji n Uni versit y ，ti anji n 300072 Chi na ） abstract ：38 Cr MoAl Aand 40 Cr steels were modified t hrough gas nitri di ng ，gas nitrocarburizi ng and plas ma nitri di ng processes . the struct ure ，f ricti on ，wear behavi ors and corrosi on resistance of nitri ded layer were st udied . the results showt hat nitri ded layer of 38 Cr MoAl Asteel has hi gher hardness and corrosi on resistance t han t hat of 40 Cr steel ，but has lower f ricti on and wear resistance . Wit h t he order of gas nitri di ng ，gas nitrocarburizi ng and plas ma nitri di ng ，t he wear resistance of nitri ded layer i ncreased but t he corrosi on resistance decreased . the perf or mance diff erences bet ween 38 Cr MoAl Aand 40 Cr steels were anal yzed f ro mt he co mpositi on of steel ，hardness and t oughness of nitri ded layer . Key words ：gas nitri di ng ；gas nitrocarburizi ng ；plas ma nitri di ng ；nitri ded steel
after different nitri di ng processes
研究与教学工作，已发表论文40 余篇，曾获教育部科技进步 二等奖、中国科学院院长优秀奖等。联系电话：022- 27890010 （0 ），E- mail ：j h wang ＠tj u .edu .cn . 基金项目：教育部留学回国人员资助基金项目
不同渗氮工艺下38 Cr MOAl A、40 Cr 钢的硬度如
究，以期为工业生产合理地选择钢材和渗氮工艺提 图1 。渗氮前（经调质处理），38 Cr MOAl A 钢的硬度
供依据。
略低于40 Cr 钢；但经渗氮处理后，不论是气体渗氮，
2 试验材料、工艺和方法
试验材料为38 Cr MOAl A 和40 Cr 钢，试样尺寸为 20 mm> 10 mm > 10 mm。试 样 渗 氮 前，需 经 调 质 处 理。调 质 处 理 的 工 艺 为：d38 Cr MOAl A：930 C >
还是气体氮碳共渗或离子渗氮，38 Cr MOAl A 钢的硬 度普遍高于40 Cr 钢。在3 种渗氮工艺中，离子渗氮 层的硬度最高，气体渗氮层的硬度最低，气体氮碳共渗
层的硬度居中。说明渗氮处理能提高材料的硬度。
30 mi n 油 淬，640 C > 90 mi n 回 火，i40 Cr ：840 C >
关键词：气体渗氮；气体氮碳共渗；离子渗氮；渗氮钢
中图分类号：Tgl56. 8 ；Tgl42. l 文献标识码：a 文章编号：0254- 605l（2003 ）07- 0020- 04
Properties of 38 Cr Moal a and 40 Cr steels after Different Nitri di ng Processes
表面硬度。在 M- 200 型摩擦磨损试验机上进行摩擦 磨损 试 验。 摩 擦 载 荷 分 别 为 59 N（6kg ）和 98 N （10kg ）；摩擦时间为30 mi n ，摩擦期间用水作为润滑 剂。摩擦过 程 中，通 过 记 录 摩 擦 扭 矩 数 值 来 计 算 材
料的摩擦 系 数。 试 验 结 束 后，用 读 数 显 微 镜 测 量 试
王吉会，房大然，张 琨
（天津大学 材料学院，天津 300072 ） 摘要：研究了38 Cr MoAl A 和40 Cr 钢经气体渗氮、气体氮碳共渗、离子渗氮处理后渗氮层的组织、硬度、摩擦磨 损和腐蚀性能。试验结果表明，38 Cr MoAl A 钢渗氮层的硬度及在3. 5 NaCl 溶液中的耐蚀性能高于40 Cr 钢，但抗摩擦磨损性能不如40 Cr 钢。依气体渗氮、气体氮碳共渗到离子渗氮的顺序，渗氮层的抗磨损性能逐 次提高，但抗腐蚀能力逐次降低。从钢的化学成分、渗氮层的硬度和韧性出发，对38 Cr MoAl A 和40 Cr 钢渗氮 层的性能差异进行了分析与总结。
（3 ）注入 Al REti B + + N + 生成的铈化物、镧化 物形态复杂，氮化物形态丰富，其中，生成的 BN 、Al N 有利于提高材料表层的硬度。
致谢：感谢东 风 汽 车 有 限 公 司 工 艺 所 和 精 工 齿 轮 厂
对本研究工作的大力支持。
参考文献：
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样表面 磨 痕 的 宽 度，计 算 材 料 的 磨 损 体 积，并 利 用
XL30 E 扫描电子显微镜观察磨痕的微观形貌。用腐 蚀电 化 学 测 量 系 统 测 定 不 同 渗 氮 工 艺 下 试 样 在
3. 5 % NaCl 溶液中的阳极极化曲线，辅助电极为铂 片，参比电极为饱和甘汞电极，扫描速度为0. 5 mV／
系数 如 表 1 。 与 未 渗 氮 试 样 相 比，渗 氮 处 理 后 38 Cr MOAl A、40 Cr 钢的摩擦系数略有降低；在3 种渗 氮工艺中，气体氮碳共渗后渗氮层的摩擦系数最低，
渗氮层的摩 擦 系 数 随 摩 擦 载 荷 的 增 加 而 增 加；气 体
渗氮与离子 渗 氮 后 渗 氮 层 的 摩 擦 系 数 相 差 不 大，摩
擦载荷对渗氮层摩擦系数的影响不大。
表1 经不同工艺渗氮后38cr Moal a、40cr 钢的摩擦系数
作者简介：王吉会（1966. 11 —），男，河北栾城人，副教授，博士 Table 1 Friction coefficients of 38cr Moal a and 40cr steels
后，主要从事材料的热处理、腐蚀与磨损、表面改性等方面的
到不 断 地 发 展，如 气 体 渗 氮、液 体 渗 氮、离 子 渗 氮 3. 1 渗氮层结构
等［1 ］。此外 射线衍射分析证实，试样经气
业中实际应 用 的 需 要，对 不 同 的 钢 材 选 择 合 理 的 渗 氮工艺，显得尤为重要［2 ］。
本文选择工业中常用的38 Cr MOAl A 和40 Cr 渗 氮用钢和气体渗氮、气体氮碳共渗、离子渗氮等3 种
［7 ］ 杨建华. 离子注入层的X 射线光电子能谱分析［J ］. 光谱实验室， 2001 ，18（3 ）：398- 400 .
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38 Cr Moal a 、40 Cr 钢经不同渗氮工艺处理后的性能研究
收稿日期：2003- 03- 01
钢号 38Cr MOAl A
40 Cr
摩擦
载荷／N 59 98 59 98
未渗氮
0. 445 0. 420 0. 411 0. 380
气体渗氮
0. 385 0. 380 0. 377 0. 380
气体氮
碳共渗
0. 292 0. 349 0. 326 0. 374
离子渗氮
［5 ］ 张通和，等. C 和金属（Mo 、ti ）离子双注入 H13 钢抗腐蚀纳米丝 状结构的形成［J ］. 北京师范大学学报（自然科学版），2001 ，37 （3 ）：348- 350 .
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0. 502 0. 405 0. 377 0. 375
《金属热处理》2003 年第28 卷第7 期
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图2 是经不同工艺渗氮后38 cr MoAl A、40 cr 钢 在载荷59 N 、98 N 与30 mi n 磨损后的磨损体积。磨 损体积随磨 损 载 荷 的 增 加 而 明 显 增 大；渗 氮 处 理 后
体渗氮后，渗氮层主要由（Cr ，Fe ）2 N 的。相组成；气 体氮碳共渗后的渗氮层由含碳氮的。（Fe3 N（C））相组 成；离子渗氮的渗氮层主要由 y（Fe4 N ）组成。这与 文献报道的结论一致［3 ］。
常用的工艺，通过钢材的成分、渗氮工艺对钢材渗氮 3. 2 硬度
层的组 织、硬 度、耐 磨 性 及 抗 腐 蚀 能 力 的 影 响 的 研