Q235鋼密封罐法稀土催滲氮化層的組織與耐蝕性能

于玉城， 王振玲

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150022)

0 引 言

Q235 鋼是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造鐵道道釘、油氣管道、橋梁等戶外結(jié)構(gòu)件。這類零部件的腐蝕往往很嚴(yán)重［1］，為了提高其耐蝕性，通常采取氣體滲氮的方法。常規(guī)氣體滲氮工藝氮原子擴散速度慢，時間長，效率低下，而其他一些新的滲氮方法，例如離子滲氮等則需要昂貴的設(shè)備，對工件形狀和尺寸也有要求。筆者期望探索一種新的滲氮方法——密封罐法來實現(xiàn)快速滲氮技術(shù)。即以尿素做滲氮劑，將工件和尿素放入自行制備的金屬罐中密封好，然后放進加熱爐中加熱保溫來進行滲氮。罐裝法在4 h 內(nèi)制備出的滲氮層，能夠明顯提高硬度和耐磨性［2］。但是，如何在短時間利用密封罐法制備出優(yōu)質(zhì)的滲氮層，仍是需要繼續(xù)探討的課題。眾多研究發(fā)現(xiàn)，稀土元素對滲氮過程具有明顯的催滲及表面改性作用［3－6］。鑒于此，文中嘗試向密封罐法滲氮的尿素中添加一定量的稀土來改善滲氮層組織和性能。主要研究稀土加入量對Q235 鋼滲氮組織和耐蝕性能的影響，以期確定合適的稀土加入量，為探索密封罐法快速滲氮工藝和改善Q235 鋼的氮化耐蝕性提供理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)。

1 實驗材料與方法

實驗材料為Q235 鋼，軋制態(tài)，化學(xué)成分為:w(C)=0.18%，w(Si)=0.02%，w(Mn)=0.47%，w(S)=0.02%，w(P)=0.01%，F(xiàn)e 余量。滲氮前Q235 鋼進行正火熱處理，以消除應(yīng)力，均勻和細(xì)化組織，提高鋼的綜合性能。滲氮試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm 和φ15 mm ×10 mm，分別用于觀察組織和測試耐蝕性。滲氮前將樣品表面用細(xì)砂紙打磨光滑，然后用丙酮擦洗除油。

滲氮劑選用尿素，催滲劑為氯化稀土溶于甲醇的溶液，分別加入1、3 和5 mL。凡文中所述的稀土均指該稀土氯化物溶液。將樣品和滲劑放入鋼罐中并密封，然后放進電阻爐中進行加熱滲氮，滲氮工藝為570 ℃×4 h。

滲氮層的組織采用XJP －3A 型金相顯微鏡觀察，利用Rigaku D/max －RB 型X 射線衍射儀進行滲氮樣品的物相分析。采用273A 型電化學(xué)工作站測試滲氮試樣的極化曲線，參比電極選用212 型甘汞電極，電解液為3.5%的NaCl 溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 稀土催滲對Q235 鋼滲氮層組織的影響

不同稀土加入量Q235 鋼滲氮層的顯微組織見圖1。

圖1 不同稀土加入量的Q235 鋼滲氮層組織Fig．1 Effect of rare earth addition on microstructure of Q235 steel nitriding layer

從圖1 中可以看出，利用罐裝法滲氮，無稀土催滲劑時，滲層中白亮層厚度約為12 μm。加入稀土催滲劑后，白亮層厚度明顯增加，加1 和3 mL 稀土?xí)r，白亮層厚度基本相當(dāng)，約為13.7 μm;加5 mL 稀土?xí)r，白亮層厚度最厚達(dá)到約20 μm。但是，與加1和3 mL 稀土相比，其氮化層表面不規(guī)整，出現(xiàn)疏松，原因很可能是白亮層厚度增加導(dǎo)致脆性增加致使部分白亮層剝落的結(jié)果。圖2 為Q235 鋼滲劑中加入不同量稀土后氮化層的X 射線衍射圖譜。從圖2可知，滲氮劑中無論添加稀土與否，滲層組織均由ε－Fe3N 和γ' －Fe4N 組成。但是，加入稀土催滲劑后，ε－Fe3N 相的衍射峰數(shù)量增加，這表明稀土催滲劑導(dǎo)致ε－Fe3N 相的數(shù)量增加。

圖2 Q235 鋼加入不同量稀土滲氮層的XRD 圖譜Fig．2 XRD pattern of nitriding layer of Q235 steel as adding different amount of rare earth

由此可見，Q235 鋼利用罐裝法滲氮，滲劑中添加稀土溶液后，能夠明顯提高滲速，在較短時間內(nèi)便可制備出較厚的滲氮層。原因主要有兩個方面，其一，密封罐中的尿素在570 ℃進行保溫時，尿素先分解成氨氣，能夠產(chǎn)生一定的氣體壓力。經(jīng)計算，密封罐內(nèi)產(chǎn)生的氣體壓力最大為41 MPa，考慮到滲氮過程中，罐內(nèi)有少量氣體會溢出，加之尿素也不是在某一溫度下瞬間全部分解，最后罐內(nèi)實際氣體壓力大約10 MPa。研究表明，高壓氣體滲氮可以加速滲氮過程，而且不僅可以去除表面的鈍化膜，同時還可以借助氣壓形成新型滲氮層，更大地發(fā)揮材料的潛能［7－8］。

其二，稀土對滲氮的催滲作用是明顯的。研究中加入的液態(tài)氯化稀土，在570 ℃高溫下離解為原子，而尿素先分解成氨氣，氨氣又分解為氮原子和氫原子。由于稀土化學(xué)活性高，會與滲氮密封罐內(nèi)的O、H 和N 原子發(fā)生強烈的化學(xué)反應(yīng)，尤其與氧的親和力很強，起到加速尿素分解和工件表面氧化物的還原;稀土與氫反應(yīng)生成REH2、REH3等類型的化合物，使得氫分壓下降，有利于氮勢的提高。此外，稀土原子在一定溫度下可滲入金屬表面，具有微量固溶的特點，由于稀土原子半徑比Fe 原子半徑大得多，必將引起它周圍的原子晶格畸變，氮原子在畸變區(qū)偏聚導(dǎo)致表面氮濃度增加，有助于加快N 原子擴散［3，9］。

2.2 Q235 鋼滲氮稀土催滲氮化層耐蝕性能

圖3 為稀土催滲氮化和常規(guī)氮化氮化層在3.5%NaCl(25 ℃)溶液中的極化曲線，表1 是與極化曲線有關(guān)的參數(shù)。從圖3 和表1 的數(shù)據(jù)可以看出，未加稀土滲氮層的自腐蝕電位最低，稀土催滲后樣品氮化層的自腐蝕電位均顯著增大，加1 和3 mL稀土樣品氮化層的自腐蝕電位相當(dāng)，加入5 mL 稀土樣品氮化層的自腐蝕電位最高。這意味著加稀土后滲氮層的腐蝕傾向明顯降低，其中加5 mL 稀土催滲樣品的腐蝕傾向最小。從表1 中的四種滲氮樣品的自腐蝕電流密度來看，常規(guī)氮化樣品為63.1 μA/cm2，稀土催滲后氮化層的自腐蝕電流密度降至4～6 μA/cm2，其中加3 mL 稀土?xí)r滲氮樣品的自腐蝕電流密度最小，為3.8 μA/cm2，加5 mL 稀土?xí)r反而有所增大，為5.8 μA/cm2。因此，綜合來看，加3 mL稀土催滲獲得的白亮層其組織致密，耐蝕性較好。盡管加5 mL 稀土?xí)r制備出的白亮層厚度最厚，但厚度過大時會導(dǎo)致脆性增加而易剝落，使得組織疏松，耐蝕性下降［10］。上述實驗數(shù)據(jù)表明稀土催滲劑能明顯改善鋼氮化層的耐蝕性，在實驗工藝中，Q235鋼加入3 mL 稀土?xí)r氮化層耐蝕性最好。

圖3 加入不同量稀土催滲劑滲氮層的極化Fig．3 Polarization curves of nitriding layer of Q235 steel as adding different amount of rare earth

表1 腐蝕參數(shù)Table 1 Corrosion parameter

3 結(jié) 論

以Q235 鋼為研究對象，在570 ℃進行添加稀土催滲劑進行滲氮4 h，通過對滲層組織結(jié)構(gòu)和耐蝕性能進行分析，得出如下結(jié)論:

(1)與常規(guī)氮化相比(白亮層厚度12 μm)，稀土催滲后，氮化層厚度增加，加1 和3 mL 時白亮層厚度為13.7 μm，組織致密;加入5 mL 稀土?xí)r，白亮層最厚，為20 μm，組織有疏松。

(2)滲氮層主要由ε －Fe3N 和少量γ' －Fe4N組成，與未加稀土的滲氮樣品相比，稀土催滲后滲氮層中ε 相數(shù)量增加。

(3)稀土催滲能明顯改善Q235 鋼滲氮層的耐蝕性能，加入3 mL 稀土?xí)r其耐腐蝕性能最佳。

(4)采用密封罐法滲氮，以尿素做滲氮劑，稀土做催滲劑，可以實現(xiàn)快速滲氮。該研究為碳素鋼的耐腐蝕性能提供了一種新的滲氮方法。

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