离子后氧化对42CrMo钢渗氮组织与耐蚀性的影响及机理分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)常州大学江苏省材料表面科学与技术重点实验室 作者:武计强

  采用普通空气对42CrMo钢离子渗氮样进行了离子后氧化处理。采用金相、扫描电镜、X射线衍射仪、电化学性能分析测试仪对复合渗层的显微组织、渗层厚度、物相、耐蚀性及电化学试验后试样表面进行了测试和分析。研究结果表明,对42CrMo钢离子渗氮样进行空气后氧化处理可在氮化层表面形成一层1~2μm厚、由Fe3O4和Fe2O3组成的氧化层,且两种氧化物比值由后氧化工艺参数决定,400℃、60min后氧化时生成的氧化层Fe3O4含量最大,电化学实验后的试样表面没有出现点蚀现象,由此获得最佳耐蚀性。高含量Fe3O4基于该条件下生成Fe3O4的化学反应的吉布斯自由能较小。结果还发现随后氧化时间延长或温度升高,离子氮化层厚度逐渐减薄。

  42CrMo钢具有良好的综合性能,如高强度和韧性,淬透性好等被广泛应用于齿轮。为满足齿轮表面耐磨、心部良好韧性的设计要求,扩大工程领域的应用领域,一般都要进行表面热处理。现阶段离子渗氮技术已被广泛地应用于钢件表面强化处理,但是离子渗氮后形成的渗氮层耐蚀性不能满足特殊环境的服役要求。

  离子渗氮+后氧化复合工艺是在离子渗氮之后再进行一次离子氧化处理的复合工艺,进一步提高渗层的综合性能。后氧化过程中,化合物层发生调幅分解,同时在渗氮层上生成一层致密的以Fe3O4物相为主、外加少量Fe2O3物相的氧化层。南昌大学周潘兵对此进行了研究,并确定了W6Mo5CrV2最佳后氧化工艺,但该工艺参数对其他材料不具备普适性并且没对氧化机理作深入分析。

  本文采用空气作为氧化气源,可大大节省了经济成本,且易于操作。将离子后氧化与42CrMo钢离子渗氮结合起来,研究离子后氧化温度与时间对复合渗层组织及耐蚀性的影响,并从热力学和动力学角度对离子后氧化机理进行了详细探讨。

  1、实验材料及方法

  实验材料为调质态42CrMo钢,其化学成分(质量分数)为:0.39% ~0.42% C;0.16% ~0.24%Mo;0.75%~1.0% Mn;0.15%~0.34% Si;0.9%~1.02% Cr;其余为Fe。调质后试样基体硬度为350HV0.05。采用线切割切成10mm×10mm×5mm试样,表面依次用240~2000目的SiC砂纸磨平,再用金刚石抛光至镜面,最后用无水乙醇在超声波中清洗10~15min,并用吹风机吹干,待用。离子渗氮后氧化复合处理工艺流程主要分3步,如图1所示。

离子渗氮后氧化工艺流程图

图1 离子渗氮后氧化工艺流程图

  首先,向LD-8CL型直流等离子体渗氮炉内通入氢气进行溅射加热和清洁处理;当达到设定的温度后通入氢气和氮气,N2/H2比为1:3,进行离子氮化,渗氮温度为550℃、时间为4h;氮化结束后,在离子炉内冷却到氧化温度,通入空气进行后氧化,空气流量为4L/min,氧化结束后随炉冷却到室温。所采用的氧化工艺参数如表1所示。采用金相显微镜和JSM-6510型扫描电镜(SEM)对截面组织进行观察;D/max 2500型X射线衍射(XRD)仪对渗氮层物相进行分析;采用TD7300型电化学测试系统在3.5%NaCL溶液中测量氧化后的试样在室温下的极化曲线,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为Pt电极,扫描速度为1mV/s。

表1 氧化复合处理工艺参数与化合物层深度及耐腐蚀性结果

氧化复合处理工艺参数与化合物层深度及耐腐蚀性结果

  3、结论

  (1)普通空气可替代氧气作为离子后氧化氧化气源,从而大大节省经济成本。

  (2)42CrMo钢经离子渗氮后氧化处理,在渗氮层表面生成一层致密的氧化层,随着离子氧化时间的延长或温度升高,化合物层氮化物相厚度逐渐减薄。

  (3)42CrMo钢经离子渗氮后氧化处理后,生成的氧化层由Fe3O4和Fe2O3物相组成,两者比例取决于离子后氧工艺参数。

  (4)离子后氧化处理能显著提高42CrMo钢离子渗氮样的耐腐蚀性能,其中氧化工艺400℃、60min时生成Fe3O4的化学反应的吉布斯自由能较小,氧化层中Fe3O4和Fe2O3比例最大,获得最优耐蚀性。

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