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30CrMnSiA钢管淬火

更新：2023/2/10 19:01:13 点击：

品牌：沃乘
型号： 30CrMnSiA钢

产品介绍

30CrMnSiA钢属于低合金高强度结构钢，具有较高的强度、韧性以及优异的抗疲劳性能，广泛应用于航空航天工业领域中的重要承力构件，如飞机起落架、螺栓、拉杆等零件中。

30CrMnSiA钢和30CrMnSiNi2A钢的焊接性较差，采用传统方法焊接时需要进行严格的焊前预热和层间温度控制。此外，传统焊接方法的热输入大，易导致高强钢构件发生变形或开裂等问题，作为一种新型的表面改性技术，激光熔覆利用激光束快速加热和冷却的特点，在修复件表面熔覆同种或异种金属粉末。该技术具有熔覆组织致密、界面结合强度高、构件变形小和工艺简单等优点。采用激光熔覆技术对高强钢构件进行修复，可以大幅缩短维修周期，延长构件的使用寿命。

以30CrMnSiA合金粉末作为熔覆材料，对30CrMnSiA钢和30CrMnSiNi2A钢进行了多层多道激光熔覆修复，然后对熔覆层和热影响区的组织、

力学性能进行表征，得出以下结论：

1）30CrMnSiA基体主要为铁素体和马氏体均匀分布的复相组织，热影响区主要为细晶马氏体和少量小块状铁素体；30CrMnSiNi2A基体为马氏体，热影响区为索氏体和粗晶马氏体。

2）采用相同的熔覆材料和工艺参数进行激光熔覆，两种基体上的多层熔覆层组织存在一定差异，表现为各层中索氏体的含量不同。30CrMnSiA基体上的第1～3层熔覆层主要为索氏体组织，第4～6层熔覆层主要为马氏体和少量回火索氏体，其中盖面层主要为马氏体；30CrMnSiNi2A基体上的熔覆层回火分解成的索氏体含量明显增加。这种组织差异推测是由30CrMnSiNi2A钢的热导率更低，在激光熔覆过程中会导致更多的热累积造成的。

3）在力学性能上，两种基体上的多层熔覆层存在明显差异：30CrMnSiA基体上熔覆层的硬度要远大于 30CrMnSiNi2A 基体上熔覆层的硬度；30CrMnSiA热影响区软化现象不明显，而30CrMnSiNi2A热影响区出现了明显的软化现象；30CrMnSiA基体上熔覆层试样的冲击韧性、延伸率均优于基体，抗拉强度为基体的90%以上；30CrMnSiNi2A基体上熔覆层试样的冲击韧性高于基体，抗拉强度约为基体的85%，延伸率约为基体的45%。

4）30CrMnSiA合金粉末可用于激光熔覆修复30CrMnSiA钢，但修复30CrMnSiNi2A钢则需要进一步调控工艺参数，可采用更小的光斑，以减小热影响区宽度，减少粗晶马氏体的生成以及熔覆层中马氏体的分解。

30CrMnSiA和 42CrMo 钢淬火后组织为马氏体，等离子渗氮及氮碳共渗层均由化合物层和扩散层组成。在 460℃以上进行等离子体氮碳共渗时稀土的添加能够改善渗层组织；560℃添加0.5L/min稀土共渗时渗层组织由“三层”结构组成，即表面5um化合物层、中间40um耐蚀白层以及传统的扩散层。

等离子体渗氮及氮碳共渗层主要由 c-Fe2-3N 和 γ-FeaN（c-Fe2-3（N，C）和γ-FeaN）组成，处理温度升高，改性层中 c-Fez-3N（c-Fez-x（N，C））相对含量减少。等离子体渗氮时，400℃和560℃渗氮时渗层中出现含氮马氏体α'-Fex相；460°C渗氮时，随着渗氮时间延长渗层中 c-Fez-N相含量先增多后减少，长时间（16h）渗氮后γ'-FeaN-（200）发生择优取向。等离子体氮碳共渗时，γ-FeaN相在（200）晶面的择优取向随着温度的升高和时间的延长而减弱。利用稀土添加量可以调控共渗层相组成，适当添加有助于 ε-Fez-s（N，C）相形成，同时使γ-FeaN的（200）晶面择优取向现象增强；560℃共渗稀土添加量达到0.5L/min 时表面形成Fe3C相。

渗氮气氛对表面形貌影响不大，表面氮化物颗粒随着渗氮温度的升高聚集长大，表面粗糙度增大。氮碳共渗时，稀土添加提高了表面氮化物颗粒密度，促进氮化物聚集长大；560℃×8h添加0.5L/min稀土共渗时，表面形貌由花瓣片状组织转变为平均尺寸为100nm~300nm的细小短棒状组织（FesC+少量氮化物），表面粗糙度显著降低。而 EDS 结果表明稀土元素可以渗入到材料内部一定深度，且能够促进氮元素向内扩散。

淬火态 30CrMnSiA 钢等离子体渗氮及氮碳共渗改性层内主要为纳米尺寸的氮化物以及少量纳米级含氮马氏体α'-Fex组织（50nm~100nm）；而稀土的添加有助于形成小尺寸含氮碳的马氏体组织，并在一定范围内随着稀土添加量的增多纳米化程度提高。纳米晶形成机制是高过饱和淬火组织在氮、碳渗入过程中表层析出纳米级氮化物，并在固有合金元素和渗入的氮、碳、稀土等共同作用下引起的渗层内应力增大，在位错密度较高的地方使位错亚结构移动、合并.或者重排形成亚晶或纳米晶，实现表面纳米化。

淬火态30CrMnSiA硬度为HV500，经等离子体渗氮及氮碳共渗后表面硬度显著提高，最高可达 HV1122.6，表面和心部硬度随渗氮温度升高而降低。从EDS检测和有效硬化层结果可知，稀土的添加可以促使氮、碳向内扩散，但不同温度共渗时稀土较佳添加量有所不同，500℃稀土添加0.05L/min时有效硬化层最厚，而560°C×8h共渗稀土添加0.3L/min时氮向内扩散最远，且有效硬化层最厚。淬火态30CrMnSiA和42CrMo钢经等离子体渗氮及氮碳共渗处理后，心部硬度同时发生变化，与常规调质后效果相当，实现表面改性与心部组织回火同时进行。

拉伸试验结果表明，与调质态30CrMnSiA钢经等离子体氮碳共渗后相比，淬火态试样共渗处理后强度升高而韧性有所下降，而稀土共渗后强度不降低但韧性增加，表明30CrMnSiA钢“淬火+稀土共渗”处理可以代替传统的“调质+氮碳共渗”复合工艺，且能够满足性能指标要求。

等离子体渗氮及氮碳共渗处理降低了材料的摩擦系数，而30CrMnSiA钢渗氮层、氮碳共渗层及稀土共渗层的体积磨损率较淬火态试样分别降低了74%、78%和 82%，材料耐磨性显著提高。淬火态试样的磨损机制主要是以粘着磨损为主，局部有塑性变形，伴随着表面疲劳及氧化：试验载荷的大小并不改变磨损机制，只影响磨损程度：渗氮层及氮碳共渗层的主要磨损机制均为程度不一的粘着磨损，没有明显塑性变形；而稀土共渗表层主要为轻微的粘着磨损，稀土的添加进一步提高了材料的耐磨性。

等离子体渗氮及氮碳共渗工艺提高了材料的耐腐蚀性能，使材料从严重的全面均匀腐蚀转变成点体。30CrMnSiA钢460°C等离子体渗氮层耐蚀性较好，而42CrMo 钢560℃等离子体渗氮层耐蚀性较好。氮碳共渗层的耐蚀性较渗氮层进一步提高，42CrMo钢的腐蚀机理从渗氮层的层内严重间隙腐蚀转变为浅表层腐蚀。而稀土的添加可以拓展腐蚀的钝化区，进一步提高耐蚀性。