激光淬火预处理对40 Cr钢离子碳氮氧硫共渗层组织与性能的影响.pdfVIP

第 卷 第 期 年 月 f畅 r畅 激光淬火预处理对 40Cr 钢离子碳氮氧硫共渗层组织与性能的影响 钟 厉 ， 王立文， 杨再强 （重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆 ；重庆交通大学 交通运输学院，重庆 ； 重庆华渝电气仪表厂，重庆 ） 摘要：通过观察金相组织、测量表面硬度和渗层深度、检测耐蚀性等方法，研究了激光淬火预处理对 钢离子碳氮氧硫共渗层组 织和性能的影响。 结果表明，激光淬火预处理缩短了离子碳氮氧硫共渗的时间，降低了共渗的温度。 激光淬火预处理可提高共渗 工件表面硬度及渗层深度，经激光淬火 离子多元共渗处理后， 钢表面的 - 相和 含量增多， 含量减少，可明显 地改善其耐蚀性。 关键词： 激光淬火预处理；离子碳氮氧硫共渗； 钢；组织性能 中图分类号：TG156 3 文献标志码：A 文章编号：0254- 6051（2014）03- 0053- 04 Effects of laser hardening pretreatment on microstructure and properties of 40Cr steel ion NCOS co- diffusion layer ， ， （ ， ， ， ； ， ， ， ； ， ， ） Abstract： - ， - - - - Key words： ； - ； ； 收稿日期：- - 作者简介：钟 厉（），女，博士，教授，主要从事材料表面工程的科 研及教学工作，联系电话：- ，- ： doi：10 13251 j issn 0254- 6051 2014 03 012 钢是广泛应用于重要结构件的典型渗氮钢， 其所含元素 有利于渗氮，经渗氮处理后可获得较高 的表面硬度。 其渗氮温度一般在 ，普通的 单纯渗氮处理时间较长。 安代明等人 - 研究表明， 经过激光淬火后表层具有较高的残余压应力，可大大 提高零件的疲劳强度，处理层和基体的结合强度也比 较高。 激光淬火处理使材料内部组织晶粒细化，位错 密度增大，晶界数目增多，进而为氮原子扩散提供了更 多的扩散通道。 而离子轰击有净化表面作用，能去除 工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮， 渗层厚度和组织可以控制 - 。 钟厉等人 - 研究表 明，离子多元共渗处理相对于单纯的渗氮处理可以缩 短时间，可以提高材料表面的耐磨性和耐蚀性。 为进 一步提高 钢表面的强度和耐蚀性，缩短渗氮时 间，本文提出激光淬火和离子碳氮氧硫复合工艺，研究 激光淬火和离子碳氮氧硫复合工艺对 钢组织和 性能的影响。 试验材料及方法 试样材料选用经过调质的 钢，其化学成分 （质量分数，）为 、 、 、 、 、 、 。 调质工艺为：加热到 ，保温 ，油淬；再经 回火，保温 ，调质后的硬度为 。 表面处理前试样要先进行打磨、清洗，用水砂由粗到细 打磨，再用丙酮超声波清洗。 然后用 - - 型多功能激光加工机对调质处理后的 钢激光 处理，参数选择如下：激光功率为 ，即电流 ， 脉宽 ，频率 ；扫描速度为 ；光 斑直径 矱 ，保护气体为氩气。 离子碳氮氧硫共渗在 - 型离子渗氮炉 中进行，共渗工艺参数为：时间 、 和 ，温度 、 和 ，氨气流量 ， 乙醇混合液 流量 。 将处理后的试样用砂纸抛光后装入 l 第 卷 渗氮炉内。 抽真空到 左右，接通脉冲电源起辉 光放电，降温到 关炉让其随炉冷却。 试验结果及分析 2 1 激光淬火预处理对共渗时间的影响 图 所示为共渗温度 ，经不同时间共渗后 钢渗层厚度变化。 由图 可以看出，经过激光淬 火处理后，离子碳氮氧硫共渗复合处理的渗层厚度随 时间的增加逐渐增大；在 后渗层达到 ，之 后渗层厚度有所下降。 单独进行离子碳氮氧硫共渗， 渗层厚度也随时间的增加而增厚；在共渗 时达到 约 。 因此，从渗层厚度上来看，激光淬火可以 缩短离子碳氮氧硫共渗的时间。 图 钢碳氮氧硫共渗层厚度随共渗时间的变化 - 2 2 激光淬火预处理对共渗温度的影响 图 所示为不同温度共渗 后 钢渗层厚 度。 可以看出，当温度大于 时，激光淬火试样的 渗层厚度随渗氮温度的升高而增加。 未经激光淬火处 理试样的渗层厚度和前者规律基本相同，只不过在同 等温度下渗层厚度较前者要小。 因此，从渗层深度上 来看，激光淬火可降低渗氮温度。 图 钢碳氮氧硫共渗层厚度随共渗温度的变化 - 2 3 激光淬火预处理对共渗层厚度的影响 图 所示为 钢 共渗 后的共渗层显 微组织。 可以看出，经激光淬火预处理及未预处理试 样的渗层组织相似，表面层为白色的化合物层；次表面 层为黑色的扩散层。 经激光淬火预处理的白亮层更 宽，扩散层更厚。 图 钢碳氮氧硫共渗层显微组织 （）未预处理；（）激光淬火预处理 - （） ； （） 2 4 激光淬火预处理对共渗层性能的影响 用 - 型显微硬度计测量处理后试 样的表面硬度和硬化层深度，加载砝码 ，加载时 间 ，距离表面 处开始测量读数，取点间 距为 ，一直取到硬度变化趋近于平缓。 对共 渗温度为 ，共渗时间为 的试样进行检测，其 表面硬度和渗层厚度结果见表。 表 1 两种工艺处理的试样表面硬度和渗层厚度 Table 1 Surface hardness and thickness of layer of the two processed specimens 处理工艺表面硬度 渗层厚度 离子碳氮氧硫共渗jx 激光淬火 离子碳氮氧硫共渗x 图 为共渗温度为 ，时间 经不同工艺 处理后， 钢的硬度梯度分布。 从图 可以看出， 钢经激光淬火 多元共渗工艺处理后，表面硬度 均明显高于单一多元共渗和激光淬火试样。 且单一多 第 期钟 厉，等：激光淬火预处理对 钢离子碳氮氧硫共渗层组织与性能的影响 l 元共渗试样的硬度基本上是从最表层向内依次递减， 变化坡度比较平缓，而激光淬火 多元共渗试样在距表 面约 处硬度值出现明显减小。 图 不同工艺处理后 钢渗层硬度 2 5 激光淬火预处理对共渗层组织的影响 利用 - 射线衍射仪对 共渗 的 钢 渗层进行分析，结果见图。 从图 可以看出， 钢 试样经过离子多元共渗和激光淬火 离子多元共渗复 合处理后，共渗层表面的化合物组成基本相同，都由 - - 相和 - 相以及碳化物、氧化物组成。 的衍射峰仅在激光淬火 离子多元共渗处理的试 样表面。 其中激光淬火 离子多元共渗试样表面的 相衍射峰高度和数量都大于离子多元共渗处理试样， 相衍射峰高度和分布基本一致，而离子多元共渗处 理的试样表面中 出现明显的衍射峰，表明 元 素的扩散不均匀。 含量过多也会导致耐腐蚀性 降低。 2 6 激光淬火预处理对共渗层耐蚀性的影响 利用 型电化学工作站对 共渗 的 钢采用三电极法测得渗层塔菲尔曲线如图 所示。 初始电位 ，终止电位 ，扫描速度 ，等待时间 。 分析塔菲尔曲线获得试样的 自腐蚀电位、腐蚀电流密度和极化度等参数。 根据图 算得自腐蚀电位及腐蚀电流密度如表 所示。 经激 光淬火预处理 离子碳氮氧硫共渗试样的耐腐蚀电位 约 （相对于甘汞电极（），腐蚀电流密度 为 ，离子碳氮氧硫共渗试样的耐腐蚀 电位约 （相对于甘汞电极），腐蚀电流密度为 。根据电位越高，越耐腐蚀，腐蚀电流 密度越大，腐蚀速度越快得出，经激光淬火预处理 离 子碳氮氧硫共渗试样的耐腐蚀性较好。 由前面分析猜 测，由于经过激光淬火 离子多元共渗处理的 试 图 钢碳氮氧硫共渗层 图谱 （）未预处理；（）激光淬火预处理 - （） ； （） 图 钢碳氮氧硫共渗层塔菲尔曲线 （）未预处理；（）激光淬火预处理 - （） ； （） l 第 卷 样中的 相含量多于离子多元共渗的试样，表面 含量较少，从而耐腐蚀性高于后者。 表2 两种工艺处理的试样自腐蚀电位及腐蚀电流密度 Table 2 Self- corrosion potential and corrosion current density of the two processed specimens 处理工艺 自腐蚀电位 （，） 腐蚀电流密度 （ ） 离子多元共渗 档妹 激光淬火 离子多元共渗 档妹 结论 ） 激光淬火预处理缩短了离子碳氮氧硫共渗的 时间，降低了离子碳氮氧硫共渗的温度。 ） 激光淬火预处理可提高离子碳氮氧硫共渗工 件的表面硬度及渗层深度。 ） 经激光淬火和离子碳氮氧硫共渗后， 钢 渗层中的 - - 相和 含量增加， 含量减 少，提高了试样的耐腐蚀性。 参考文献： 程义远， 王建国， 于永超， 等 钢激光淬火 渗氮改性层 脆性研究热加工工艺， （）： - 雷改丽激光淬火对 钢表面干摩擦系数的影响热加工 工艺， （）： - 安代明用激光表面淬火提高压缩机活塞杆耐磨性能设备管 理与维修， （）： - ， ， ， （）： - 孙荣敏， 胡义华， 潘宇倩， 等激光淬火提高模具钢 使用寿 命的参数优化设计广西轻工业， （）： - 李 刚， 相 珺， 况 军， 等 钢表面激光淬火的组织与性 能材料热处理学报， ， （）： - 陈长军， 苏衍战， 张 敏， 等 汽轮机齿轮的激光淬火修 复汽轮机技术， （）： - 程义远， 王 勇， 韩 彬， 等 钢激光淬火 渗氮复合处 理微观组织与性能中国激光， （）： - 曹 江， 张 书， 张 军， 等活性屏离子氮化和脉冲离子氮化的 对比试验研究科技创新导报， （）： - 孙允龙镍基合金的离子渗氮及其在阀杆上的应用金属热 处理， ， （）： - 李 强， 吕长君， 常 春， 等离子渗氮工艺在新设备中的应用 中国材料科技与设备， （）： - 钟 厉， 邵 丽， 陆 亚 钢氮碳氧硫变温离子共渗工艺 及性能研究热加工工艺， （）： - 钟 厉， 戴仲谋， 邵 丽循环 离子共渗对 钢组 织及耐腐蚀性的影响表面技术， （）： - 钟 厉， 杨再强， 韩 西喷砂预处理与离子氮碳氧硫复合工艺 金属热处理， ， （）： - 钟 厉， 陆 亚 钢循环等离子氮碳氧硫共渗工艺的研 究金属热处理， ， （）： - ， ， ， （）： - ， ， ， ， （）： - 热处理学会关于邀请参加第八届俄罗斯国际热处理展览会的通知 为了促进我国热处理领域与俄罗斯及东欧的经贸合作和技术交流，扩大热处理装备出口及相关业务，热处理学会拟于 年 月 日，组织业内优秀企业赴莫斯科参加第八届俄罗斯国际热处理展览会，宣传和展示企业新产品、新技术，开 拓更广阔的国际市场。 该展会隶属国际热处理及表面工程联合会（）由“- ”展览公司组织，一年一届，深受各国材料产业、装备制 造业、设备用户单位以及外贸流通企业的欢迎和支持， 年共有 家来自 个国家的热处理企业参展，展览总面积 平方米。 展品范围包含各种