利用氧化钇辅助的等离子体电解氮化法对38CrMoAl钢进行处理

《Surface and Coatings Technology》：Yttrium oxide-assisted plasma electrolytic nitriding of 38CrMoAl steel

　　

摘要

在本研究中，采用阳极配置的等离子体电解渗氮（PEN）技术对38CrMoAl钢进行了处理。添加了氧化钇（Y₂O₃）以提升渗氮层的机械性能。通过扫描电子显微镜、显微硬度测试、摩擦学测量、电位动力学极化和电化学阻抗谱等技术对样品的结构、机械、摩擦学和电化学性质进行了表征。结果表明，添加Y₂O₃后渗氮层厚度增加。当Y₂O₃浓度为0.5?g/L时，渗氮层厚度达到83.8?μm，比传统渗氮方法厚66.9%。然而，Y₂O₃的添加并未提高表面硬度，但显著提高了耐磨性：0.5?g/L Y₂O₃处理后的样品磨损损失为1.326?×?10^?7?g·N^?1·m^?1，比不含稀土元素的样品低约50%。Y₂O₃颗粒的加入促进了表面氧化层的形成，略微降低了表面硬度。不过，Y₂O₃引入了晶格畸变等缺陷，为氮原子沿晶界和缺陷扩散提供了更多通道，从而显著提高了截面积硬度。因此，虽然表面硬度没有提高，但由于Y₂O₃的加入，渗氮层的厚度增加、亚表面硬度得到改善，耐磨性能显著提升。

引言

钢材因其高强度、高韧性、低成本和易于加工等优点，在国防、工业、制造等多个领域得到广泛应用。然而，表面磨损和腐蚀等问题限制了其应用和发展[1]。为了提高钢材的硬度和耐磨性，可以采用多种热化学处理方法，包括气体渗氮[2]、离子渗氮[3][4]、离子渗碳[5][6]以及等离子体电解渗氮（PEN）[8]。渗氮处理后，工件不仅芯部保持高强度和韧性，表面还具备高硬度和优异的耐磨性，从而拓宽了钢材的应用范围[9]。在这些方法中，PEN因在大气压下操作、处理时间短且能在电解液中直接快速淬火而受到关注[10][11][12]。PEN利用等离子体辅助条件下氮在钢中的高扩散性，快速形成富氮表面层和渗氮相。该工艺将渗氮和冷却结合在一步完成，设备简单、能耗低，对环境影响小[13][14]。

Kusmanov等人[15]研究表明，在含有NH₄Cl (5%)和NH₃ (5%)的电解液中，750?°C下对中碳钢45进行30?min的阴极等离子体电解渗氮处理后，表面硬度达到1040?HV，腐蚀电流密度降低了1.5–2.4倍。另有研究指出，750?°C下处理10?min是更优工艺，可使表面硬度达到1015?HV，腐蚀电流密度降低1.9倍[16]。Mukhacheva等人[16]在12Cr18Ni10Ti不锈钢上获得了10–20?μm的渗碳氮层，表面硬度从180?HV提高到370?HV，耐磨性提高了8.5倍[17]。类似地，40CrNi钢经处理后形成25–30?μm的ε-Fe₂N和Fe₃O₄复合层，摩擦降低、耐磨性能提高[17]。

尽管取得了这些进展，传统PEN仍受限于改性层较薄、表面致密化程度有限以及易形成多孔结构的问题，这些因素阻碍了其广泛应用。解决这些问题需要既能促进氮扩散又能抑制等离子体处理过程中缺陷形成的策略。最新研究表明，稀土（RE）元素可通过细化微观结构、活化表面及催化原子传输，在等离子体辅助扩散过程中发挥关键作用[18]。例如，Fang等人[18]发现，在等离子体电解渗碳过程中向电解液中添加Ce元素，可形成更厚、更致密的改性层[18]。这些发现表明，稀土辅助的PEN可能为克服传统PEN的局限性提供新途径。

研究表明，Y元素能显著提升传统气体渗氮的渗氮速率，其氧化物Y₂O₃具有优异的热稳定性和耐腐蚀性，适用于高温等离子体环境。然而，Y₂O₃在PEN中的作用（包括界面行为、对氮扩散的影响以及对渗氮层微观结构和性能的改善）仍不清楚。

鉴于38CrMoAl钢常用于渗氮处理，本研究选择Y₂O₃作为稀土添加剂，探讨其对38CrMoAl钢渗氮效果的影响。

内容摘要

材料与方法

本研究使用的38CrMoAl钢的化学成分约为0.39?wt% C、1.44?wt% Cr、0.18?wt% Mo、0.84?wt% Al、0.46?wt% Mn、0.20?wt% Ni、0.10?wt% Ti、0.27?wt% Si、0.035?wt%?S、0.035?wt% P、0.10?wt%?V，其余为Fe。样品先经200#、600#、1000#、2000#碳化硅砂纸依次打磨，然后使用乙醇超声清洗，再进行渗氮处理。渗氮电解液由10%氯化铵和20%氨水组成。

组织结构

图1显示了38CrMoAl钢及添加Y₂O₃后的XRD图谱。基体主要为α-Fe相。PEN和PEN-Y₂O₃处理后的渗氮层包含α'N、Fe₂N、Fe₃O₄和Fe₂O₃相。PEN-Y₂O₃处理样品中Fe₂N和α'N相的峰强度增加，表明稀土元素的添加促进了表面渗氮层的形成。

稀土元素对PEN过程的影响

本研究采用阳极极化模式，在含有氨水、氯化铵和Y₂O₃的电解液中对38CrMoAl钢进行PEN处理。其强化机制基于Y₂O₃固体颗粒的物理化学界面调控作用，并辅以气体等离子体的激活。如图11所示，反应过程分为几个阶段：

1.

基本渗氮过程（不含稀土元素）

结论

本研究采用Y₂O₃辅助的PEN技术对38CrMoAl钢进行了处理。该工艺适用于具有简单几何形状的零件（如平面或圆柱表面）；对于带有深孔、狭缝或锐边的复杂结构，则可能需要采取辅助措施（如旋转阴极或浮动电极设计）以实现均匀处理。结果表明，PEN处理改善了样品的微观结构、层性能、机械性能和摩擦学特性。

作者贡献声明

刘鹏伟：负责撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、数据分析、软件应用、项目管理、方法设计、实验设计、数据分析、概念框架构建。董美玲：负责撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、数据验证、项目监督、资金筹集、数据处理、概念框架构建。王朝辉：负责项目监督、资源调配、数据分析。常海阳：负责数据验证、软件应用、资金筹集。

未引用的参考文献

[28], [35]

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（项目编号：52403319）和黑龙江省高等学校基本科研事业费（项目编号：145409308）的支持。

刘鹏伟|董美玲|王朝辉|常海阳|游媛|顾峰|张海新|陈书静|吕英玲|徐世淼|王苏欣

中国齐齐哈尔大学材料科学与工程学院，齐齐哈尔161006