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工件經(jīng)QPQ處理后，最終形成的滲層深度、致密度、均勻度不僅和鹽浴狀態(tài)、工藝相關(guān)，還和工件材料本身密切相關(guān)，比如工件組織的晶粒度級(jí)別、前熱處理狀態(tài)、應(yīng)力殘留情況、表面粗糙度大小、切削液殘留、表面清潔度都會(huì)對(duì)滲層的形成造成影響。本期以38CrMoAl材料為例，介紹表面粗糙度對(duì)滲層組織和性能的影響。下圖是用38CrMoAl材料制作的零件。

38CrMoAl鋼是一種中碳合金滲氮鋼，具有優(yōu)良的滲氮性能，且滲氮層耐磨、耐蝕、疲勞強(qiáng)度高，以及綜合力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，該鋼材在國(guó)防、航空航天及民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，常被用來(lái)制備分油盤、柱塞、閥門、齒輪、鏜桿及主軸等零部件。為獲得理想的滲氮零部件綜合性能，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者均進(jìn)行了很多研究。其化學(xué)成分見(jiàn)下表。

對(duì)試樣采用930℃保溫40min油冷＋570～600℃保溫60min水冷調(diào)質(zhì)處理后，采用磨削加工或銅棒研磨制備5個(gè)級(jí)別表面粗糙度滲氮試樣，試樣表面粗糙度均值為Ra0.38μm、0.62μm、0.90μm、1.46μm及3.24μm，將試樣采用如下工藝進(jìn)行QPQ處理后，再對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

金相組織

通過(guò)觀察，不同粗糙度的金相組織深度存在一定差別，組織成分無(wú)差別，組織由外表面向基體依次為白亮層ε相、擴(kuò)散層γ´相、α´ 相（即含氮馬氏體相），以及基體組成。心部組織為2級(jí)“索氏體+少量鐵素體”，滲氮層組織為4級(jí)“滲氮索氏體+半連續(xù)細(xì)網(wǎng)狀氮化物”。

表面硬度及脆性級(jí)別

不同表面粗糙度試樣滲氮后表面硬度如圖所示。隨著表面粗糙度均值增大滲氮層表面硬度略有降低，但不顯著。

不同表面粗糙度試樣滲氮后表面脆性級(jí)別如圖所示。由圖可見(jiàn)，隨著表面粗糙度均值增大，滲層表面脆性級(jí)別呈降低趨勢(shì)。這說(shuō)明38CrMoAl鋼滲氮層表面硬度及滲氮層表面脆性與表面粗糙度相關(guān)。

硬度梯度及滲層深度

不同表面粗糙度試樣滲氮層硬度梯度如圖所示。表面粗糙度均值較大時(shí)，滲氮層硬度梯度相對(duì)平緩，隨著滲氮層深度增加，硬度不斷減小并趨于基體硬度值。

不同表面粗糙度試樣滲氮后滲層深度如圖所示。隨著表面粗糙度均值增大，滲氮層的白亮層和擴(kuò)散層也對(duì)應(yīng)增厚。這說(shuō)明滲氮層硬度梯度、滲氮層深度與表面粗糙度相關(guān)，硬度梯度隨表面粗糙度均值增大而趨于平緩，滲氮層深度隨表面粗糙度均值增大而加厚，且當(dāng)表面粗糙度均值達(dá)到1.46μm后，滲氮層增厚速率減小且最后趨于穩(wěn)定，當(dāng)表面粗糙度均值達(dá)到3.24μm時(shí)，滲氮層白層和擴(kuò)散層達(dá)到最大，分別達(dá)到24μm和360.8μm。

表面粗糙度對(duì)白層和滲氮層深度的影響值得關(guān)注，在相同滲氮條件下，表面粗糙度越低，所需滲氮時(shí)間越長(zhǎng)，一定范圍內(nèi)表面粗糙度較大時(shí)，具有更高的滲氮效率。一方面，適當(dāng)粗糙的表面有利于氰酸根中分解出活性氮原子[N]的吸附；另一方面，粗糙的表面增大了活性氮原子[N]與試樣表面的接觸面積，使單位時(shí)間能夠吸附更多的活性氮原子[N]參與界面反應(yīng)。表面粗糙度較大的表面在滲氮吸收階段具有較高的吸收能力，而較高的吸氮能力有利于獲得較深的滲氮層。