表面粗糙度对38CrMoAl钢渗氮层组织和性能的影响_崔入威.pdf

2023年 第3期 热加工102热 处 理Heat Treatment承受交变载荷，在夹杂物处形成应力集中，萌生疲劳裂纹，因材料脆性较大，裂纹扩展速度快，最终早期断裂。建议在钢液连铸过程中控制拉坯速度，调整浸入式浇口深度，以减小钢液液面波动，并可优化保护渣性能来获得合理的保护渣黏度，通过以上措施来降低卷渣风险5。4 结束语1）减振器螺旋弹簧失效性质为扭转疲劳断裂。2）弹簧钢丝下部近表面非金属夹杂物是造成疲劳断裂的原因。3）连铸工艺可通过控制拉速、调整浸入式浇口深度、稳定钢液液面波动，以及对结晶器保护渣进行优化等方法来提高弹簧材料的冶金质量。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摘要：通过比较不同表面粗糙度的试样经氮化处理后其渗氮层组织、性能，研究表面粗糙度对38CrMoAl钢渗氮层组织和性能的影响。结果表明：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大，表面粗糙度均值增大到Ra1.46m后，渗氮效率趋于稳定，当表面粗糙度均值达到Ra3.24m时，渗氮层的白层和扩散层达到最大，分别达到24m和360.8m。渗氮层表面硬度随表面粗糙度均值增大略有降低，但不显著，而表面脆性级别随着表面粗糙度均值增大由3级降至2级。渗氮层硬度梯度随着表面粗糙度均值增大而趋于平缓，这有利于改善渗氮层的应力分布。关键词：38CrMoAl钢；表面粗糙度；渗氮；性能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、性参考文献：1 孙智，任耀剑，隋艳伟失效分析：基础与应用M北京：机械工业出版社，2017.2 韩雅静，王哲人，王慧汽车发动机气门弹簧断裂分析J金属热处理，2001，26（9）：47-48.3 王扬发，农之江，吴德兴SWRCH22A螺栓冷镦开裂原因分析及改善措施J山西冶金，2019（4）：146-147.4 阙石生，梁益龙，赵飞夹杂物尺寸及位置对51CrV4弹簧钢疲劳寿命的影响J机械工程材料，2011，35（7）：85-87.5 和前进，潘金焕，姜钧普，等影响湘钢冷镦钢质量的主要因素J钢铁，2004，39（2）：21-23，31.202212062023年 第3期 热加工103热 处 理Heat Treatment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（30mm5mm），材料化学成分见表1。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a）Ra0.38m b）Ra0.62mc）Ra0.90m d）Ra1.46me）Ra3.24m图1不同表面粗糙度试样渗氮后金相组织图2表面硬度图3表面脆性级别 表1 试验钢的化学成分（质量分数）（%）CSiMnCrMoAlSPFe0.400.260.461.480.20.980.0030.20余量2.2 试验设备试验设备采用WZC-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570600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0.38m、0.62m、0.90m、1.46m及3.24m，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34s，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相、扩散层相、相（即含氮马氏体相），以及基体组成5。全部试样组织按照HB 50221994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”。2023年 第3期 热加工104热 处 理Heat Treatment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。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。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Ra1.46m后，渗氮效率趋于稳定；当表面粗糙度均值达到Ra3.24m时，渗氮层白层和扩散层达到最大，分别达到24m和360.8m。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。参考文献：1 刘豪，张立文，李飞，等38CrMoAl 钢的奥氏体晶粒长大行为J金属热处理，2020，45（8）：38-422 杨小军，刘建38CrMoAl连续冷却相变研究J金属材料与冶金工程，2019，47（3）：39-413 王晨晨，许文花，肖桂勇，等38CrMoAl 钢介稳态气体渗氮的组织与硬度J金属热处理，2016，41（7）：41-454 古璟，周石桥表面粗糙度对25Cr3MoA钢氮化层深度和组织的影响J热加工工艺，2014，43（4）：195-1965 齐宝森，陈路宾，王忠诚，等化学热处理技术M北京：化学工业出版社，2006：59-626 康杰工件表面状态与氮碳共渗的相互影响J贵州科学，1999（3）：236-2407 KOEBEL NORBERT K，姚守芳金属热处理中的表面活性J金属热处理，1978（6）：60-6420221227图5渗层深度曲线图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1.46m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3.24m时，渗氮层白层和扩散层达到最大，分别达到24m和360.8m。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