原材料与组织对42 CrMo钢离子氮化的影响

原材料与组织对42 CrMo钢离子氮化的影响 

孔德群1，任政1，何建群2 

(1．采埃孚传动系统(北京)有限公司，北京100176；2．山东能源重装集团 大族再制造有限公司，山东泰安271222) 摘要：研究并解决了中碳合金钢42CrMo经离子氮化处理后存在氮化物或疏松级别超差的问题。 结果发现，相比原材料硬度，原始组织对离子氮化产生的影响更大一些。若调质组织粗大、不均匀。 则离子氮化组织中白亮层不均匀，白亮层内侧易析出严重的网状氮化物，且扩散层存在较多的脉状 氮化物。长时间库存的工件表面容易发生难以发现的微观氧化，会导致离子氮化处理后白亮层略厚 以及表面疏松层。 关键词：离子氮化；显微组织；氧化；白亮层；疏松 中图分类号：TGl56。82文献标志码：A 文章编号：1673—4971(2016)06-0014-04 

离子氮化是一种表面化学热处理工艺，利用辉 光放电效应产生高能氮离子轰击金属零件表面，通 过阴极溅射形成的氮化铁连续不断地沉积在零件表 面，形成一定深度的由化合物层与扩散层组成的渗 氮层组织¨‘5 J，由此提高了硬度、耐磨性、抗蚀性和 疲劳强度。中碳合金结构钢42CrMo可采用离子氮 化工艺№一川，既可以保证心部强韧性能，又改善了表 面性能¨“…。 某公司同时采购了3批调质态原材料，经检验 其化学成分和硬度均符合要求，金相组织为回火索 氏体；然而经同一炉次离子氮化处理后，其结果却有 明显差异，有些氮化试样则存在氮化物或疏松级别 超差的现象，且具有可重复性。为研究其原因，将化 学成分与原始金相组织作了对比分析。研究结果可以得出结论，原材料组织状态对离子氮化产生显著 的影响。 1原材料分析 经光谱分析，原材料的化学成分见表1。3个批 次的42CrMo钢原材料的化学成分均符合DIN EN 10083_3要求。通过比较，批次B和C明显地成分 一致，碳含量趋于中值，且Ni含量略高0．10％；而批 次A的碳含量偏于下限，其他元素无明显区别。 表1 42CrMo钢原材料的化学成分(质量分数，％) Table 1 Chemical composition of 42CrMo laW material(∞，％) 技术协议要求42CrMo钢原材料的表面硬度为 266—311 HB，金相组织为回火索氏体l～2级。经 理化检验，3个批次的原材料硬度分别为273—280、 287～305、288—302 HB，金相组织分别为回火索氏 体2级、l级、1级，均符合要求。但是通过对比发 现，3个批次的原材料仍存在差异。 批次A原材料的金相组织 中存在微观组织偏析，淬火组织较为粗大，回火后仍 较大程度地保留原束状的淬火组织的位向与形态， 回火索氏体的分布形态不够弥散、均匀，含有少量游 离铁素体。为批次B原材料的金相组 织，回火索氏体精细、弥散、均匀分布。图1(e)、(f) 为批次c原材料的金相组织，回火索氏体也精细分 布，基本与批次B基本一致。不同的是，批次B最外 表面有一圈2～3岬左右的氧化层，而批次C却没 有。然而该氧化层目视无法察觉到，即便镜面抛光 状态在显微镜下未看到黑色氧化现象；而经3％硝酸 酒精溶液腐蚀后观察到黄褐色，即浅表面并非有严 重的氧化，只是特别微观的晶内氧化。经上述分析可知，批次A材料成分与组织状态 明显异于其他两个批次，淬火马氏体呈粗大的束状 板条，且存在组织偏析；批次B和C材料成分与金相 组织基本一致，推断为同一冶炼炉次，且为同一炉次 的调质热处理工艺。后来供应商证实了该推论，其 库存时间约2年，由于存放环境和保存条件不同，才 导致批次B原材料的外表面产生3斗m左右的微量 锈蚀。 2离子氮化 3个批次的毛坯试样经清洗干净后，装入同一台 EltroPuls热壁炉进行离子氮化处理，采用正常生产 的氮化工艺，工艺气体H：与N：的流量比为2：1，工 艺温度515 oC，保温时间18 h。氮化后，工件表面均 呈银灰色。 3结果与讨论 按技术规范要求，氮化后金相组织应符合GB／T 11354重要零件的要求，并规定白亮层厚度最大值为 10斗m。有效氮化层深度按照ISO 6336_5的规定 测量，即试样表面到硬度400 HV处的距离。 

结合以上 分析，批次A原材料硬度偏低(低约20 HB)，若从硬 度的影响因素来考虑，将得到更低渗氮层与硬度∽J， 但是实际得到的却更大一些(高约40～60 HV)。这 表明，相比原材料硬度，原始组织对离子氮化产生的 影响更大一些，原始组织较为粗大，有利于离子渗氮 作用，渗层和硬度相对较高。有文献解释为基体组 织粗化，与母相保持共格关系的氮化物使母相晶格 产生畸变的强化效应越来越小，有利于氮原子扩散 速度的作用M J。 结合表2和图3可以看出，批次A原材料离子 氮化后，表层无脆性，白亮层致密，表面基本无疏松， 但白亮层厚度不均匀，且超出规范要求。白亮层与 扩散层结合处有多处粗大的网状氮化物析出(其厚 度约6 Ixm，视场最差处可达9 Ixm)，且扩散层内有 较多呈脉状分布的氮化物。  而批次B和c，表面硬度较低，表层无脆性，白 亮层厚度满足要求，扩散层无脉状或网状碳化物；但 是批次B存在明显的表面疏松，微孔密集成点状空 隙带，由表及里逐渐减少，疏松层厚度3—4“m，约 为白亮层深度的1／3。对比其原材料情况，疏松层与 原材料微观氧化深度较为吻合，由此可推断原材料 的微观氧化腐蚀是造成该疏松层的重要因素。而外 表面氧化层是扩散的快速通道，因而批次B原材料 获得较深一些的白亮层；由于氧化层太浅，其加速效 应有限，因此白亮层增量也有限。 4结论与建议 重复性实验证明，中碳合金钢42CrMo原始组织 将对离子氮化工艺产生显著影响，应在原材料采购 时明确规范较高等级的技术协议要求，例如文献中 提到理想的毛坯要求为，调质后的金相组织1级旧J， 带状组织A级，晶粒度8～9级¨1|；进货检验时严格 控制质量，例如化学成分，组织粗大、不均匀，微观氧 化等，尤其后者，若仅靠目视检查则无法发现。 1)原始组织粗大、不均匀，离子氮化后氮化层深 与硬度均更大一些，但是氮化组织中白亮层不均匀， 白亮层下析出严重的网状氮化物，扩散层存在较多 万方数据第6期 孔德群等：原材料与组织对42crMo钢离子氮化的影响 。17· (a，b)批次A；(c，d)批次B；(e，f)批次C 图3离子氮化后42CrMo钢金相组织 (a，b)batch A；(c，d)batch B；(e，f)batch C Fig．3 Microstructure of 42CrMo steel by plasma nitriding 的脉状氮化物。这会引起表层脆性增大，工件在服 役时易早期剥落而发生失效。 2)原材料表层的微观氧化，难以发现，经3％硝 酸腐蚀后呈黄褐色；微量的氧化层不会影响离子氮 化的氮化层深、硬度、扩散层氮化物等，但是会导致 白亮层略厚以及表面疏松层。 3)合金成分一致的42CrMo钢，相比原材料硬 度，原始组织对离子氮化产生的影响更大一些。毛 坯料应制定合理的调质处理工艺参数；淬火保温时 间要充分，使奥氏体化充分均匀；选择合适的淬火介 质，淬火速率要充分；回火保温时间也要充分，得到 弥散、均匀的回火索氏体组织。

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