机加工表面粗糙度参数对金属材料氮化氧化处理后耐腐蚀时间的影响研究

引言

近年来，随着我国制造业出口产品持续增加，产品长时间在海上运输中受到潮湿、盐雾等环境的侵蚀，导致产品送达客户时出现锈蚀问题。面对金属材料的服役环境日益复杂，对其表面防腐性能提出了更高要求。氮化氧化作为一种兼具氮化和氧化优点的表面改性技术，在提升材料的硬度、耐磨性同时兼具优异的耐腐蚀性能。氮化氧化处理技术属于绿色环保处理工艺，符合当前制造业绿色发展的趋势。

机加工形成的表面粗糙度差异会直接影响氮化氧化膜层的质量与防护能力。已有研究多集中于氮化氧化工艺参数的优化，较少系统分析表面粗糙度对腐蚀性能的作用机理。本文以不同粗糙度参数为变量，通过实验与分析，揭示其对氮化氧化处理后金属耐腐蚀性能的影响规律，填补相关研究空白，为产品表面粗糙度设计选取提供理论基础。

一、机加工表面粗糙度参数的定义及影响因素

表面粗糙度是衡量机加工表面质量的重要参数之一，通常用Ra（算术平均粗糙度）、Rz（十点高度差）等参数进行表征，是反映材料表面微观几何特性的核心指标。机加工过程中，切削方式、刀具磨损、进给速度、主轴转速、冷却润滑条件等多种工艺因素均会影响最终粗糙度水平。粗糙度不仅影响金属材料的外观，更决定了后续表面处理工艺的成膜质量和最终性能表现。实际生产中，表面粗糙度的测量常采用接触式轮廓仪和非接触式光学仪器。为保证研究的代表性和科学性，本研究选取了三组不同粗糙度的样品，分别为 Ra=0.2μm 、 0.6μm 和 1.2μm 。通过对比分析发现，随着表面粗糙度的增加，材料的性能表现呈现出明显差异。结论表明，较低粗糙度（ Ra=0.2μm ）样品表面更加光滑，有利于减少摩擦和磨损；中等粗糙度（ Ra=0.6μm ）样品则在一定程度上提升了润滑保持能力，表现出较优的综合性能；而较高粗糙度（ Ra=1.2μm ）样品表面较为粗糙，可能导致应力集中和疲劳损伤，降低材料的使用寿命。因此，本研究明确了不同粗糙度对应的性能变化规律，为表面处理工艺的优化提供了理论依据。

二、氮化氧化处理工艺及其作用机制

氮化氧化作为一种有效的金属表面改性技术，能在金属材料表面形成兼具高硬度和优良耐腐蚀性的氮氧化复合膜层。其工艺过程一般包括升温、保温、渗氮和氧化等阶段，主要在氮氧混合气氛下进行。温度、时间、氮氧比等工艺参数直接决定膜层的厚度、结构及其性能，而机加工形成的表面粗糙度会显著影响膜层的形成和生长。表面越平整，反应气体与金属基体的接触越均匀，反应更完全，促使膜层致密、连续和结合力强。反之，表面粗糙度较大时，表面凸起和凹陷增多，局部应力集中，易产生微裂纹和孔洞，影响膜层的均匀性与致密性，从而降低其防护效果。本文实验统一采用温度 570% 、时间 3 小时、氮氧比例 5:1 的气氛环境进行氮化氧化处理，确保不同粗糙度样品的处理条件一致，便于对比分析和数据可靠。

三、实验设计与腐蚀性能测试方法

本实验选用 42CrMo 中碳合金结构钢为基材，针对其表面不同粗糙度（ Ra=0.8μm 、 1.6μm 、 3.2μm ）进行了系统研究。结果表明，表面粗糙度为 Ra=0.8μm 时，钢材表面较为光滑，摩擦阻力较小，耐磨性能较好；当粗糙度增加至 Ra=1.6μm 、时，表面微观结构有利于润滑剂的保持，综合性能达到较优状态；而粗糙度进一步增大到 Ra=3.2μm 时，表面粗糙明显，易导致应力集中，降低材料的疲劳寿命和耐用性。由此可见，合理控制钢表面的粗糙度对于提升其使用性能具有重要意义。首先通过车削、磨削、抛光等工艺制备出三组同一材质不同表面粗糙度的金属样品。每组样品尺寸保持一致，并经过脱脂、超声清洗及酒精漂洗，排除表面油污和杂质。所有样品在同一台真空氮化炉内做氮化氧化处理，工艺参数包括升温速率 10% /min，恒温 570% ，保温 3 小时，采用氮气与氧气的混合气氛。处理后随炉冷却，取出样品备用。腐蚀性能测试采用中性盐雾腐蚀实验，将样品放入 5%NaCl 盐雾环境中，温度保持在35^qC ，按照 GB ∕ T10125-2012 标准定时观察样品表面腐蚀斑点、锈蚀情况，记录各组样品达到GBT 6461-2002 标准保护评级（Rp）9 级为标准所需时间。为更好揭示机理，采用金相显微镜对样品表面进行观察，分析膜层的结构、缺陷和厚度分布，同时使用维氏硬度计对不同粗糙度样品表面硬度金相测试。

四、结果与分析

金相显微镜检测结果表明，表面粗糙度越低，氮化氧化膜层的致密性、均匀性越好。低粗糙度样品表面形成的膜层平整、连续、结构致密且厚度分布均匀；而高粗糙度样品膜层表面出现较多的锯齿及厚度不均现象。维氏硬度计分析显示，低粗糙度样品形成的表面硬度高，平均硬度720HV 左右，高粗糙度样品表面硬度略低，平均硬度 600HV 左右。盐雾腐蚀实验结果进一步佐证上述规律。粗糙度为 0.8μm 组样品平均耐腐蚀时间为 420 小时，腐蚀斑点极少，仅出现轻微点蚀； 1.6μm 组样品耐腐蚀时间为 230 小时，表现为均匀锈蚀； 3.2μm 组样品耐腐蚀时间仅为 65 小时，并出现局部膜层剥落现象。通过对比可以看出，低粗糙度有利于形成连续致密的氮化氧化膜层，增强与基体的结合强度，提高金属材料的耐腐蚀性能。而高粗糙度则为腐蚀介质渗透和扩散提供了通道，降低了膜层防护作用，导致腐蚀速度加快和失效时间缩短。

五、工程应用意义及优化建议

基于本研究的实验结果和机理分析，可以明确提出以下优化建议：第一，在金属零部件的机加工过程中，控制表面粗糙度参数，建议以Ra⩽1.6μm 作为加工质量的目标值；第二，建议在生产线上配备自动化表面粗糙度检测，实现对粗糙度的实时监测，提高批量产品的一致性与合格率。第三，在实际应用层面，耐腐时间一般要求中性盐雾试验保护评级 ⩾144h 即可，选取合理表面粗糙度参数，保证氮化氧化金属零部件的耐腐蚀能力同时，提高生产效率，降低生产成本，对于机械零部件等行业具有显著的经济效益。

结论

本研究为金属表面氮化氧化处理耐腐蚀工艺优化和实际工程应用提供了数据依据和实践指南，建议工业生产设计根据实际需求合理选取零件表面粗糙度值，无需追求极高粗糙度要求，要做到兼顾产品性能和制造经济性。后续工作可进一步在不同材料体系和复杂服役环境下深入探讨其适用性与影响机制，持续推动表面工程技术的创新与推广应用。

参考文献

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作者简介；（作者姓名：张马涛 性别：男 籍贯：河北省邢台市 民族：汗 出生年月：1994.2 学历：本科 ，单位：，研究方向：机械设计、机械制造工艺)