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杨闯等(贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550014)
摘 要：采用光学显微镜及X射线衍射仪分析了一种新型合金工具钢软氮化渗层的组织形貌和相结构，并与传统的高速钢进行比较。结果表明，该钢经过560℃×3h软氮化后渗层显微组织是由γ′和合金氮化物及碳化物组成的扩散层，未见连续的ε相形成。与传统高速钢比较，在相同工艺条件下渗速较快，渗层较深，脉状氮化物级别较低，渗层具有良好的综合性能。
关键词：合金工具钢；软氮化；组织形貌；相结构；性能
0 引言
高速工具钢具有高的红硬性、耐磨性，在高温下能承受较大的载荷。同时高速工具钢具有良好的韧性和加工性，几乎可以用于制造所有的成品刀具，因此在工具领域中占据主导的地位。但通用高速钢中加入了大量的W、Mo、Cr、V等贵重合金元素，其价格昂贵，使用成本高。当前由于合金元素W、Mo、V等贵重合金元素价格不断上涨，如何节省高速工具钢中的合金元素用量已成为高速工具钢发展中十分重要的课题。
根据我国资源的特点，采用合金化理论及试验探索，研制了一种GDL-4型合金工具钢。该钢以廉价的Si、Cr、Mn为主加元素，添加少量的W、Mo、V、Al组成，以替代价格昂贵的传统高速钢，对节约成本，提高经济效益，具有极重要的现实意义。
化学热处理是提高高速钢使用性能的一项有效措施。低温铁素体氮碳共渗(俗称软氮化)是一种常见的化学热处理工艺，它是在Fe-C-N三元素共析温度以下 (530～570℃)对工件表面进行碳氮共渗，可以大幅度提高钢件的疲劳强度、耐磨性、抗擦伤和抗咬合能力以及耐腐蚀性，并显著提高使用寿命，本文利用X 射线衍射仪和光学显微镜分析了GDL—4型合金工具钢软氮化处理后渗层的相结构、微观组织及性能。
1 试验材料和方法
试验材料采用最新研制的GDL-4型合金工具钢，用中频感应加热炉熔炼，铸锭经锻造预先热处理后加工成各种试样，对比试验选用M2钢。试样经1070℃淬火后550℃高温回火三次，硬度值为HRC63-65。软氮化处理在RN-45-6渗氮炉中进行，采用通氨滴醇法，氨气经干燥罐后进入炉内，并用流量计控制，炉压为1.5×103Pa。试样软氮化后，用HXS-1000A型数字智能显微硬度计测量渗层及表面硬度，载荷1.98N，加载时间为15s。在 OLYMPUS显微镜下观察渗层组织，用日本理学公司产D/max-2200型X射线衍射仪进行相结构分析，Cu靶，Kα辐射，石墨单色器滤波，管电压 40kV，扫描速度2°/min。在MM-200磨损试验机上进行对滚耐磨试验，被测样品为条形样，尺寸为6mm×7mm×40mm，对磨样品为圆形合金铸铁样，尺寸为«40mm×10mm。在试验前加一次冷冻机油进行润滑，载荷30kg，试验时间为3h，以样品失重量作为耐磨性能。
2 试验结果及分析
2.1 渗层厚度及显微硬度
2.1.1 渗层厚度
用金相法在放大200倍显微镜下可测出渗层厚度，即试样沿表面垂直方向测到有明显分界处即为渗层厚度。测量结果如下:
表1 GDL-4钢和M2钢软氮化后深层深度
材料
化合物层
扩散层
GDL-4
不连续
0.06～0.09mm
M2
较为连续
0.05～0.08mm
通过金相显微观察表明，GDL-4钢软氮化后形成的扩散层要比M2钢更深，氮化层的形成实际上是工件从氮化气氛中吸收氮量和向工件内扩散氮量之间的平衡过程。由于新材料中含有大量的Cr及少量的W、Mo、Al等强氮化物形成元素，在渗氮初期，这些元素和氮有很强的亲和力，具有很高的氮吸收速率，可迅速堆积较多的活性氮原子，氮浓度梯度高。扩散阶段，新材料中非氮化物形成元素Si与N的亲和力很小，可起到阻碍N原子聚集的作用，从而推动N原子较快的向内扩散，形成较平缓的氮浓度梯度，因而有一定提高渗速的作用。M2钢中在软氮化时大量的强氮化物形成元素与氮形成稳定的氮化物将其固定住，阻抑氮向工件内部扩散，工件表面活性降低，驱动力减小[5]，化合物层较为连续。故在相同条件下渗氮，GDL-4钢的渗速较M2钢更快，可获得更深的扩散层
2.1.2 显微硬度
GDL-4钢和M2钢两种材料表面和渗层显微硬度测量结果见表2和表3。
由表2和表3可知：M2钢软氮化后表面显微硬度要比GDL-4钢要高，心部硬度相差不。但在距表面大约0.06mm处，扩散层的硬度新材料高于M2钢，硬度在HV1100以上。
两种材料的显微硬度梯度曲线见图1。
由图1可知:新材料软氮化后硬度随着渗层的加深显微硬度减小要比M2钢慢得多，硬度梯度比M2钢的硬度梯度更加平缓。
新材料中W、Mo、Cr等合金元素的含量要低于M2钢，这些强氮化物元素由于与氮形成稳定的氮化物而将其固定住使之难于扩散，因此，也起阻抑氮向工件内部扩散的作用，结果将减小渗层深度和增加硬度梯度。因此M2钢软氮化后表面显微硬度较新材料高，硬度随着渗层的加深显微硬度减小较快。新材料中非氮化物形成元素Si和弱氮化物形成元素Mn降低了渗层的氮碳浓度和梯度，新材料中非氮化物形成元素Si与N的亲和力很小，可起到阻碍N原子聚集的作用，从而推动N原子较快的向内扩散，形成较平缓的氮浓度梯度，软氮化后能获得更深的扩散层，新材料软氮化后硬度随着渗层的加深显微硬度减小要比M2钢慢得多，硬度梯度比M2 钢的硬度梯度更加平缓。
根据合金工具钢氮化后的应用要求，显微硬度在HV1100～1300之间更适合于合金工具钢的服役条件，合金工具钢要具有高的耐磨性、低的脆性和高的红硬性。由有表2可知:M2钢的软氮化后表面显微硬度范围较GDL-4要大。实验表明，GDL-4钢的耐磨性比M2钢高，通过实际应用中经验观察可以看出M2滑块在相互碰撞是更易发生棱边崩脆现象，因而新材料脆性比M2钢要低。由于GDL-4钢渗前经550℃三次回火预处理，回火稳定性好，因而基体的硬度变化不大。
2.2 渗层显微组织和相组成
图2为新材料和M2钢经过 560℃×3h软氮化后的渗层组织，可以明显看出，GDL-4钢软氮化后表面形成以γ′为主的扩散层，合金氮化物、碳氮化物弥散分布于扩散层中，未见连续的ε相形成。心部组织为碳化物+回火马氏体+残余奥氏体，GDL-4钢软氮化后能获得比M2钢更深的扩散层。两种材料的金相显微组织对比见图2。
2.3 扩散层中的氮化物的分布情况
钢经过软氮化在白色化合物和扩散层之间能观察到白色脉状氮化物组织，一般随着氮浓度的增加而变粗，甚至变成网状分布，脉状氮化物可能是疲劳裂纹源或增加脆性，较严重的脉状和连续的网状分布会使氮化层脆性增加，极易剥落，极大地影响渗氮件的性能。扩散层中氮化物在显微镜放大500倍，取其组织最差的部位。
由前述合金元素的形成过程知道，在较高的温度下渗氮，合金元素与α相共格关系被破坏，氮化物易聚集形成长大，形成粗大的氮化物，因而影响材料的性能，使材料的硬度降低，特别是合金元素较多时。
图 3是GDL-4钢和M2钢在1000倍扩散层组织的分布情况。由图3可知，新材料渗层中未观察到有明显的脉状氮化物见图3(a)，而在M2钢中，则能观察到明显的脉状氮化物见图3(b)。这是因为新材料中非氮化物形成元素Si可阻止化合物聚集的作用也可使化合物均匀分布，从而使得新材料中脉状氮化物的级别较低。
2.4 渗层的相分析
图 4(a)和图4(b)分别是GDL-4钢和M2钢的X射线衍射图图谱，通过X射线衍射物相分析表明，新材料和M2钢软氮化后渗层的物相为过饱和含氮α- Fe、γ′相及合金氮化物。两种材料软氮化后，化合物层很薄，ε相量较少，在衍射图中不能显示出来。扩散层中的主要物相是过饱和的α-Fe、γ′相及合金氮化物组成。但一方面两种材料中合金元素的含量远比Fe低得多，同时大部分的合金元素以碳化物形式存在，因此合金氮化物衍射强度较弱。另一方面，合金氮化物衍射峰多与铁的氮化物或碳化物峰接近或重叠，在衍射范围内很难区分。
2.5 耐磨性能
经30kg载荷条件下，3h对磨，新材料与M2的滚子和条形试样的总磨损量分别为0.0004mg和0.0005mg。GDL-4钢软氮化后表面形成的扩散层比M2更深，非氮化物形成元素Si和弱氮化物形成元素Mn降低了渗层的氮碳浓度，渗层硬度梯度平缓，无明显网状和脉状氮化物存在，晶界没有化合物析出。实验结果表明，GDL-4钢具有更优异的耐磨性。
3 讨论
根据新材料的成分特点，新材料是以Si、Cr、Mn为主加元素，添加少量的W、Mo、V、Al等元素组成，新材料中非氮化物形成元素Si与N的亲和力很小，可起到阻碍N原子聚集的作用，从而推动N原子较快的向内扩散，形成较平缓的氮浓度梯度，因而有一定提高渗速的作用。大量的铬既可以提高表面硬度，又可以增加硬化层深度。非氮化物形成元素Si和弱氮化物形成元素 Mn，可以降低渗层的表面碳氮浓度，使渗层硬度梯度平缓。M2钢中在软氮化时大量的强氮化物形成元素与氮形成稳定的氮化物将其固定住，阻抑氮向工件内部扩散。故在相同条件下渗氮，GDL-4钢的渗速较M2钢更快，可获得更深的扩散层。新材料中非氮化物形成元素Si可阻止化合物聚集的作用也可使化合物均匀分布，从而使得新材料中脉状氮化物的级别较低。少量的Al在渗层表面形成AlN化合物对提高表面耐磨性有一定作用。新材料替代高速钢应用在压缩机滑片上经过初步上机试验通过了2000h的寿命试验，并通过了小批量生产试验。目前正在进行产业化工作。GDL-4钢渗氮工艺性好，渗层组织理想，力学性能优良，价格低廉，是一有重要推广价值，具有广阔应用前景的合金工具新材料。
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