離子后氧化對42CrMo鋼滲氮組織與耐蝕性的影響及機理分析

　　采用普通空氣對42CrMo鋼離子滲氮樣進行了離子后氧化處理。采用金相、掃描電鏡、X射線衍射儀、電化學性能分析測試儀對復合滲層的顯微組織、滲層厚度、物相、耐蝕性及電化學試驗后試樣表面進行了測試和分析。研究結(jié)果表明，對42CrMo鋼離子滲氮樣進行空氣后氧化處理可在氮化層表面形成一層1～2μm厚、由Fe3O4和Fe2O3組成的氧化層，且兩種氧化物比值由后氧化工藝參數(shù)決定，400℃、60min后氧化時生成的氧化層Fe3O4含量最大，電化學實驗后的試樣表面沒有出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象，由此獲得最佳耐蝕性。高含量Fe3O4基于該條件下生成Fe3O4的化學反應的吉布斯自由能較小。結(jié)果還發(fā)現(xiàn)隨后氧化時間延長或溫度升高，離子氮化層厚度逐漸減薄。

　　42CrMo鋼具有良好的綜合性能，如高強度和韌性，淬透性好等被廣泛應用于齒輪。為滿足齒輪表面耐磨、心部良好韌性的設計要求，擴大工程領域的應用領域，一般都要進行表面熱處理�，F(xiàn)階段離子滲氮技術(shù)已被廣泛地應用于鋼件表面強化處理，但是離子滲氮后形成的滲氮層耐蝕性不能滿足特殊環(huán)境的服役要求。

　　離子滲氮+后氧化復合工藝是在離子滲氮之后再進行一次離子氧化處理的復合工藝，進一步提高滲層的綜合性能。后氧化過程中，化合物層發(fā)生調(diào)幅分解，同時在滲氮層上生成一層致密的以Fe3O4物相為主、外加少量Fe2O3物相的氧化層。南昌大學周潘兵對此進行了研究，并確定了W6Mo5CrV2最佳后氧化工藝，但該工藝參數(shù)對其他材料不具備普適性并且沒對氧化機理作深入分析。

　　本文采用空氣作為氧化氣源，可大大節(jié)省了經(jīng)濟成本，且易于操作。將離子后氧化與42CrMo鋼離子滲氮結(jié)合起來，研究離子后氧化溫度與時間對復合滲層組織及耐蝕性的影響，并從熱力學和動力學角度對離子后氧化機理進行了詳細探討。

　　1、實驗材料及方法

　　實驗材料為調(diào)質(zhì)態(tài)42CrMo鋼，其化學成分(質(zhì)量分數(shù))為：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；其余為Fe。調(diào)質(zhì)后試樣基體硬度為350HV0.05。采用線切割切成10mm×10mm×5mm試樣，表面依次用240～2000目的SiC砂紙磨平，再用金剛石拋光至鏡面，最后用無水乙醇在超聲波中清洗10～15min，并用吹風機吹干，待用。離子滲氮后氧化復合處理工藝流程主要分3步，如圖1所示。

圖1　離子滲氮后氧化工藝流程圖

　　首先，向LD-8CL型直流等離子體滲氮爐內(nèi)通入氫氣進行濺射加熱和清潔處理；當達到設定的溫度后通入氫氣和氮氣，N2/H2比為1：3，進行離子氮化，滲氮溫度為550℃、時間為4h；氮化結(jié)束后，在離子爐內(nèi)冷卻到氧化溫度，通入空氣進行后氧化，空氣流量為4L/min，氧化結(jié)束后隨爐冷卻到室溫。所采用的氧化工藝參數(shù)如表1所示。采用金相顯微鏡和JSM-6510型掃描電鏡(SEM)對截面組織進行觀察；D/max 2500型X射線衍射(XRD)儀對滲氮層物相進行分析；采用TD7300型電化學測試系統(tǒng)在3.5%NaCL溶液中測量氧化后的試樣在室溫下的極化曲線，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為Pt電極，掃描速度為1mV/s。

表1　氧化復合處理工藝參數(shù)與化合物層深度及耐腐蝕性結(jié)果

　　3、結(jié)論

　　(1)普通空氣可替代氧氣作為離子后氧化氧化氣源，從而大大節(jié)省經(jīng)濟成本。

　　(2)42CrMo鋼經(jīng)離子滲氮后氧化處理，在滲氮層表面生成一層致密的氧化層，隨著離子氧化時間的延長或溫度升高，化合物層氮化物相厚度逐漸減薄。

　　(3)42CrMo鋼經(jīng)離子滲氮后氧化處理后，生成的氧化層由Fe3O4和Fe2O3物相組成，兩者比例取決于離子后氧工藝參數(shù)。

　　(4)離子后氧化處理能顯著提高42CrMo鋼離子滲氮樣的耐腐蝕性能，其中氧化工藝400℃、60min時生成Fe3O4的化學反應的吉布斯自由能較小，氧化層中Fe3O4和Fe2O3比例最大，獲得最優(yōu)耐蝕性。