武計(jì)強(qiáng)，李景才，2，魏 偉，2，胡 靜，2

(1.常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇常州 213164; 2.常州賽斐斯新材料科技有限公司，江蘇常州 213164)

42CrMo鋼離子滲氮+后氧化復(fù)合處理研究

武計(jì)強(qiáng)1，李景才1，2，魏 偉1，2，胡 靜1，2

(1.常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇常州 213164; 2.常州賽斐斯新材料科技有限公司，江蘇常州 213164)

在脈沖等離子滲氮爐中42CrMo鋼進(jìn)行離子滲氮和后氧化復(fù)合處理，離子氧化介質(zhì)為普通空氣。采用金相顯微鏡、X射線衍射儀、電化學(xué)性能分析測(cè)試儀對(duì)復(fù)合滲層的顯微組織、物相及耐腐蝕性進(jìn)行了測(cè)試和分析。研究結(jié)果表明，復(fù)合滲層硬度較單一離子滲氮得到的有不同程度的提高，最大硬度達(dá)到760 HV0.05;42CrMo鋼離子滲氮后進(jìn)行氧化處理可在氮化層上形成一層1～2 μm厚的氧化層，該氧化層由Fe2O3和Fe3O4組成;后氧化顯著提高42CrMo鋼的耐蝕性，其中400℃ ×60 min后氧化獲得最佳耐蝕性。

42CrMo鋼;離子后氧化;顯微硬度;耐蝕性

42CrMo鋼具有良好的綜合性能，如強(qiáng)度高、韌性好、淬透性好等，被廣泛應(yīng)用于齒輪。為滿足齒輪表面耐磨、心部良好韌性的設(shè)計(jì)要求，擴(kuò)大工程領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域，一般都要進(jìn)行表面熱處理?，F(xiàn)階段離子滲氮技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于42CrMo鋼表面強(qiáng)化處理［1］。但是離子滲氮后形成的滲氮層表面硬而脆，容易脫落。近年，在離子滲氮基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的氧化復(fù)合處理技術(shù)有效彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)［2-3］。

離子滲氮后續(xù)氧化復(fù)合工藝是在離子滲氮之后再進(jìn)行一次氧化處理的復(fù)合工藝，進(jìn)一步提高滲層的綜合性能［4］。后續(xù)氧化過(guò)程中，化合物層發(fā)生調(diào)幅分解，合金氮化物彌散析出，滲氮層硬度得到不同程度的提高;同時(shí)滲層表面生成一層致密的以Fe3O4為主、外加少量Fe2O3的氧化膜，由于Fe2O3氧化膜結(jié)構(gòu)疏松，生產(chǎn)中需要盡量避免［5-8］。南昌大學(xué)周潘兵對(duì)此進(jìn)行了研究，并確定了W6Mo5CrV2最佳后氧化工藝［9］，但獲得的工藝參數(shù)對(duì)其他材料不具備普適性。

本文采用空氣作為氧化介質(zhì)，工藝成本低，易于操作。將離子氧化技術(shù)與42CrMo鋼離子滲氮結(jié)合起來(lái)，研究離子氧化溫度與時(shí)間對(duì)復(fù)合滲層組織與性能的影響。并結(jié)合復(fù)合滲層的組織形貌和顯微硬度等特性，探討離子滲氮后氧化復(fù)合工藝的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為調(diào)質(zhì)態(tài)42CrMo鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為:0.39 ～0.42 C;0.16 ～0.24 Mo;0.75～1.0Mn;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350 HV0.05。采用線切割機(jī)切成10 mm×10 mm×5 mm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(wú)水乙醇在超聲波中清洗10～15 min，并用吹風(fēng)機(jī)吹干，待用。

離子滲氮后氧化復(fù)合處理工藝流程主要分如下3步(見(jiàn)圖1):1)向LD-8CL型直流等離子體滲氮爐內(nèi)通入氫氣進(jìn)行濺射加熱和清潔處理;2)當(dāng)達(dá)到設(shè)定的溫度后通入氫氣和氮?dú)猓琋2:H2=1:3，進(jìn)行離子氮化，滲氮溫度為550℃，時(shí)間為4 h;3)氮化結(jié)束后，在離子爐內(nèi)冷卻到氧化溫度，通入空氣進(jìn)行后氧化，空氣流量為4 L/min，氧化結(jié)束后隨爐冷卻到室溫。離子滲氮后氧化復(fù)合處理所采用的工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 離子滲氮+后氧化工藝流程圖Fig.1 Process chart of plasma nitriding and post-oxidation

表1 離子滲氮+氧化復(fù)合處理工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of plasma nitriding and post-oxidation

采用金相顯微鏡對(duì)試樣截面進(jìn)行組織觀察;采用D/max2500型X射線衍射儀對(duì)滲氮層物相進(jìn)行分析，采用TD7300型電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)在3.5%NaCl溶液中進(jìn)行，測(cè)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1 mV/s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 離子滲氮復(fù)合滲層顯微組織和厚度分析

圖2為不同參數(shù)氧化處理后復(fù)合滲層的截面顯微組織?？梢钥闯?，化合物層的厚度隨氧化時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小，氧化溫度越高其厚度越小，后氧化處理后有效擴(kuò)散層的厚度略微增大［10］。在450℃ ×60 min時(shí)，化合物層厚度達(dá)到最小值，這主要是因?yàn)樵谳^高溫度450℃氧化過(guò)程中，化合層氮化物相分解，釋放的一部分氮原子迅速擴(kuò)散到基體內(nèi)部，導(dǎo)致化合層厚度減小，擴(kuò)散層厚度增加。

2.2 截面顯微硬度

圖3為42CrMo鋼不同條件氧化處理后的截面顯微硬度曲線。從圖中可以看出42CrMo鋼經(jīng)復(fù)合處理后沿滲層深度方向的顯微硬度較單一離子滲氮后均有不同程度的增加，在400℃ ×60 min時(shí)獲得最大硬度760 HV0.05。由于氧化時(shí)間的增長(zhǎng)固溶在鐵氮化合物中的合金氮化物彌散析出，起到彌散強(qiáng)化作用;氧化溫度升高或時(shí)間過(guò)度延長(zhǎng)，合金氮化物將聚集長(zhǎng)大，導(dǎo)致復(fù)合滲層硬度有所下降。

2.3 復(fù)合滲層X(jué)RD物相分析

圖4為42CrMo鋼離子滲氮后經(jīng)不同氧化處理的復(fù)合滲層的X射線衍射圖譜。可見(jiàn)，離子滲氮后42CrMo鋼的滲氮層主要有 ε-Fe2-3N、γ'-Fe4N 和少量CrN。氧化處理后新增了Fe2O3、Fe3O4和α-Fe等物相。

2.4 復(fù)合滲層電化學(xué)腐蝕性能分析

圖3 42CrMo鋼經(jīng)不同氧化工藝處理后復(fù)合滲層的顯微硬度Fig.3 Microhardness of compound layer of 42CrMo steel treated by different oxidation processes

圖4 42CrMo鋼復(fù)合處理后滲層的X射線衍射圖譜Fig.4 XRD patterns of layer treated at different oxidation conditions for 42CrMo steel

圖5給出了不同參數(shù)的后續(xù)氧化處理下復(fù)合滲層的電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。由極化曲線可以看出試樣經(jīng)不同參數(shù)的后續(xù)氧化處理后的腐蝕電位得到大幅度提高，腐蝕電流變小，可以得出復(fù)合滲層的耐腐蝕性能得到極大提高。400℃ ×60 min氧化時(shí)獲得最佳耐腐蝕性能，因?yàn)榇藯l件形成的氧化層主要為Fe3O4物相。

圖5 不同氧化工藝條件下復(fù)合滲層的動(dòng)電位極化曲線Fig.5 The potentiodynamic polarization curve of compound layer at different oxidation conditions

3 結(jié)論

1)42 CrMo鋼離子滲氮后氧化復(fù)合處理后，滲層由氧化層、氮化層和擴(kuò)散層構(gòu)成。

2)42 CrMo鋼離子滲氮后氧化處理后，表層氧化層物相取決于溫度和時(shí)間，主要由Fe3O4和Fe2O3組成。

3)42 CrMo鋼經(jīng)離子滲氮后氧化復(fù)合處理，截面硬度較單一離子滲氮得到不同程度的提高，最大硬度達(dá)到 760 HV0.05。

4)后氧化處理顯著提高42CrMo鋼離子滲氮樣耐腐蝕性能，其中400℃ ×60 min為最優(yōu)后氧化工藝參數(shù)。

［1］Li J C，Yang X M，Wang S K，et al.A rapid D.C.plasma nitriding technology catalyzed by pre-oxidation for AISI4140 steel［J］.Materials Letters，2014，116:199 -202.

［2］Li Y，Wang L，Zhang D D，et al.Improvement of corrosion resistance of nitrided low alloy steel by plasma post-oxidation［J］.Applied Surface Science，2010，256:4149 -4152.

［3］Steffen Hoppe.Fundamentals and applications of the combination of plasma nitrocarburizing and oxidizing［J］.Surface and Coatings Technology，1998，98:1199-1204.

［4］Akgun Alsaran，Hikmet Altun，Mehmet Karakan，et al.Effect of post-oxidizing on tribological and corrosion behaviour of plasma nitrided AISI 5140 steel［J］.Surface and Coatings Technology，2004，176:344-348.

［5］Eun-Kab Jeon，Ik Min Park，Insup Lee.Plasma post-oxidation of nitrocarburized SUM 24L steel［J］.Materials Science and Engineering A，2007，449-451:868-871.

［6］Abedi，Salehi H R，Yazdkhasti M，et al.Effect of high temperature post-oxidizing on tribological and corrosion behavior of plasma nitrided AISI 316 austenitic stainless steel［J］.Vacuum，2010，85:443-447.

［7］Kou Hyun Lee a，Ki Suk Nama，Pyung Woo Shin，et al.Effect of post-oxidizing time on corrosion properties of plasma nitrocarburized AISI 1020 steel［J］.Materials Letters，2003，57:2060 -2065.

［8］Karimzadeh N，Moghaddam E G，Mirjani M，et al.The effect of gas mixture of post-oxidation on structure and corrosionbehavior of plasma nitrided AISI 316 stainless steelN［J］.Applied Surface Science，2013，283:584 - 589.

［9］周潘兵，周浪，陳忠博.高速鋼氧氮共滲與滲氮后氧化的組織與性能比較［J］.金屬熱處理，2007，32(5):28-30.

［10］Mandkarian N，Mahboubi F.Effect of gas mixture of plasma post-oxidation on corrosion properties of plasma nitrocarburised AISI 4130 steel［J］.Vacuum，2009，83:1036-1042.

Study on Compound Treatment of Plasma Nitriding and Post-oxidation for 42CrMo steel

WU Ji-qiang1，LI Jing-cai1，2，WEI Wei1，2，HU Jing1，2
(1.School of Materials Science and Engineering，Changzhou University，Changzhou Jiangsu 213164，China;2.Changzhou Saifeisi Advanced Materials and Technology Co.，Ltd.，Changzhou Jiangsu 213164，China)

The compound of plasma nitriding and post-oxidation treatment was carried out by plain air as medium for 42CrMo steel in a pulsed plasma ion nitriding system.The microstructure，phases and corrosion resistance were measured and analyzed by optical microscopy，X-ray diffraction(XRD)and electrochemical polarization.The results showed that hardness of compound layer had varying degree of increase than the single nitride one，and a maximum value of compound layer reached 760 HV0.05.The oxide layer of 1-2 μm thickness can be formed on nitride layer by the post-oxidation treatment after ion nitriding，and composed of Fe2O3and Fe3O4.Tne post-oxidizing significantly improved the corrosion resistance of 42CrMo steel，the best corrosion resistance of them was post-oxidation treatment at 400℃ for 60 min.

42CrMo steel;post-oxidation;microhardness;corrosion resistance

TG178

A

1673-4971(2014)05-0012-04

2014-07-16

武計(jì)強(qiáng)(1988-)，男，碩士研究生，主要從事金屬材料表面改性研究。

胡 靜，聯(lián)系電話:0519-86330095;E-mail:jinghoo@126.com

江蘇省研究生創(chuàng)新基金、常州市科技支撐項(xiàng)目(CE20110098)