38CrMoAl钢中粒状贝氏体对渗氮层性能的影响.doc

38CrMoAl钢中粒状贝氏体对渗氮层性能的影响 摘要： 研究了38CrMoAl钢中粒状贝氏体对渗氮层性能的影响，指出，粒状贝氏体的存在会使氮化层表面形成脆性针状氮化物，导致渗层表面发生剥落。而晶粒细化会使脆性改善，同时使渗层的硬度梯度更加平缓。 关键词：38CrMoAlA钢；粒状贝氏体；渗氮层 中图分类号：TG142.33 文献标识码： A 文章编号： 1　前言 38CrMoAl钢是一种中碳合金钢，广泛应用于重要结构件的制造。由于该材料含铝，特别适合渗氮处理，是典型的渗氮钢。一般零件的加工工艺流程为：粗加工—预先热处理—半精加工—消除应力—渗氮—精磨。渗氮处理时，原始组织对渗氮层的组织性能有很大影响。由于工件大小不同，化学成分的差异，工件淬火冷却条件的限制等各方面的原因，38CrMoAl钢在淬火后特别是较大工件淬火后经常得到粒状贝氏体组织，本文主要对粒状贝氏体对渗氮层组织及性能的影响进行分析。 2　粒状贝氏体对渗氮层组织的影响 2.1　粒状贝氏体的形成 钢在进行相变时，其相变产物与钢中的合金元素有很大关系。在38CrMoAl钢中，Al能加速贝氏体转变，Mo对奥氏体分解为珠光体有强烈的抑制作用，Mo是贝氏体钢基本的添加元素之一，所以38CrMoAl钢在锻造空冷时经常获得贝氏体组织[1]，淬火时由于冷却速度不够快也会得到贝氏体组织。由于粒状贝氏体的形成温度稍高于上贝氏体，38CrMoAl钢在一定的连续冷却条件下，经常获得粒状贝氏体。粒状贝氏体是由块状(等轴状)铁素体和富碳的奥氏体区所组成，由于其中富碳奥氏体一般呈颗粒状故而得其名。实际上富碳奥氏体可能是小岛状、小河状等不规则形状，富碳奥氏体中的合金元素含量与钢中平均含量接近，富碳奥氏体区可分布在铁素体晶粒内，也可分布在铁素体晶界上。富碳奥氏体在连续冷却过程中，由于冷却条件和过冷奥氏体稳定性不同，其转变有三种情况[ 2 ]： (1)部分或全部分解为铁素体和碳化物； (2)部分转变为马氏体，这种马氏体的碳含量甚高，含有精细的孪晶，马氏体+ 残余奥氏体统称为“M-A”组成物； (3)可能全部保留下来成为残余奥氏体。在室温下通常以存在“M-A”组成物情况较多。 2.2　粒状贝氏体对渗氮层组织的影响 2.2.1　粒状贝氏体对渗氮层表面化合物层的影响 该组织的存在导致38CrMoAl钢渗氮处理后渗层表面出现脆性的针状、网状氮化物。在经典理论中，只有脱碳层中的铁素体在渗氮时，由于氮在铁素体中有较大的扩散速度，使表面脱碳层中铁素体含有较高浓度的氮，从而得到须状、针状和网状ε相氮化物，这与粒状贝氏体中的铁素体是由许多板条状铁素体组成有关。 2.2.2　粒状贝氏体对渗氮层扩散层组织的影响 当氮势足够高时，合金钢表面将形成连续的化合物层[3]。当渗入的氮原子到达与表面相近的晶界时，便与亲和力较强的Al、Cr、Mo合金元素在晶界形成合金氮化物，并在原奥氏体晶界上偏聚。脉状组织基本上平行于试样表面，呈多层分布，这是因为与表面平行的晶界的合金元素最容易擒获氮原子[4]，所以脉状组织多平行于表面，经电子探针定性分析，脉状组织属C-N-Cr化合物。一般认为脉状组织是比较脆的组织，粒状贝氏体的存在，使扩散层的脉状氮化物有所加剧，特别当晶粒粗大时，铁素体岛屿面积增大，而氮在铁素体中的扩散速度较大，这种趋势更为明显。晶粒粗大，晶界减少，晶界上合金氮化物数量就更多，脉状组织显得又长又粗，一般沿晶界分布。 3　粒状贝氏体对渗氮层性能的影响 3.1　渗氮层的韧性 气体渗氮层硬度高，其韧性较氮碳共渗差，针状、网状和须状氮化物的脆性很大，这种组织含氮浓度过高，又沿着晶界呈网状分布，从而割断了金属基体的连续性，导致表面层脆性增加，在使用过程中易沿晶界产生剥落，特别是受冲击的零件，更容易剥落。 3.2　渗氮层硬度 3.2.1　表面硬度 38CrMoAl钢渗氮处理后的表面硬度约为950~1150HV，硬度高低与渗氮工艺、材料成份(各种元素的上、下限)和原始组织有关，在相同的工艺条件下，有粒状贝氏体的回火索氏体渗氮层表面硬度与由马氏体转变的回火索氏体相差不大。 3.2.2　硬度梯度 晶粒度小于6级的有粒状贝氏体的回火索氏体在渗氮处理后其渗层的硬度梯度比较平缓，在离表面0.20mm处的硬度仍可达800HV，而其它转变产物的组织的渗氮层达不到这个硬度值。资料指出[5]，粒状贝氏体组织较脆，经适当控制M/A岛的数量及尺寸，可获得强韧性配合较好的粒状贝氏体钢。我们认为，晶粒度的大小可反映M/A岛的数量及尺寸，故而细晶粒状贝氏体不仅可提高钢材本身的强韧性，经高温回火，小岛组织分解，也提高渗氮层的韧性。 4　粒状贝氏体晶粒度对性能的影响 在由于粒状贝氏体存在而导致渗氮层表面存在针状ε相氮化物的情况下，如晶粒粗大，两种脆性相的叠加会造成很