40Cr鋼碳氮氧循環(huán)離子共滲工藝及其性能研究

馬晨陽

摘要溫度、時間是離子共滲工藝中的最重要兩個因素，本文通過實驗尋找最佳的工藝參數(shù)并與常規(guī)等溫離子共滲作比較。利用顯微硬度計對試樣進行研究分析。結(jié)果表明：40Cr鋼經(jīng)530°變溫共滲6h，氨氣流量0.3L/h，乙醇流量0.4L/min循環(huán)離子共滲處理，表面硬度最高，達到硬化要求，共滲層厚度為0.245mm，且梯度平緩，優(yōu)于常規(guī)恒溫離子共滲，使工件達到了優(yōu)化的目的。

關(guān)鍵詞40Cr合金鋼；循環(huán)離子共滲；恒溫離子共滲

40Cr鋼是機械制造業(yè)使用最廣泛的鋼之一。調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。鋼的淬透性良好，水淬時可淬透到φ28～60mm，油淬時可淬透到φ15～40mm。這種鋼除了調(diào)質(zhì)處理外還適于氰化和高頻淬火處理。切削性能較好，當(dāng)硬度為HB174～229時，相對切削加工性為60%。該鋼適于制作中型塑料模具。對40Cr鋼進行表面低溫化學(xué)熱處理，提高鋼的力學(xué)性能，還能用作于制造一些重要的零部件。

等離子體滲氮是一項熱門的低溫化學(xué)熱處理技術(shù)，它具有滲速快、滲層脆性小、節(jié)約能源等優(yōu)點，深受科研工作者及生產(chǎn)者的青睞。近年來，對于滲氮工藝的要求主要著重在于工藝周期及滲層性能方面，多元循環(huán)共滲就是在此基礎(chǔ)上綜合各元素對材料表面強化所起的不同作用，從而提高滲層質(zhì)量，縮短處理周期的工藝。碳氮離子共滲與傳統(tǒng)工藝相比較，可以控制化合物層中的e相和F%C，共滲時間短，耐磨性、抗疲勞和抗咬合性能優(yōu)良；碳氮氧離子共滲是在碳氮離子共滲的基礎(chǔ)上加入氧元素，其化合物層相組織增加了Fexoy相，提高工件的耐腐蝕性能。本文是在離子滲氮的基礎(chǔ)上加入含碳、氧的介質(zhì)，實現(xiàn)40Cr鋼碳氮氧多元離子循環(huán)共滲，并尋找出最優(yōu)的共滲工藝。

1實驗材料及方案

實驗材料為40Cr合金鋼，其化學(xué)成分見表1。

實驗材料經(jīng)850°油淬1h，640°回火2h的調(diào)質(zhì)處理，實驗方法：取滲氮溫度、滲氮時間、滲氮工藝3個變量。實驗方案如表2所示。

2實驗試樣的檢測

采用Hx-1000TM/LCD型維氏硬度計測量試樣表面硬度及硬度梯度，對試樣施加載荷為200g，加載時間為15s；試樣表面硬度及滲層厚度如表3所示。

3滲層硬度及硬度梯度的分析

從表3可以看出處理時間為2h、4h、6h的試樣，其表面硬度都是隨著共滲時間的增加而逐漸增大，2h的試樣表面硬度增加的速率最快，滲氮時間為6h的試樣，其表面硬度為最高，都達到了1200HV0.2以上，8h、10h的試樣伴隨著時間的繼續(xù)增加，其表面硬度反而緩慢降低，這可能是兩方面原因所致，一是因為隨著共滲時間的延長，滲層化合物厚度增加，即滲層硬度增加，隨著化合物的增厚，阻礙了氮、碳、氧向基體內(nèi)部擴散，從而使?jié)B層硬度上升速度減慢，硬度梯度變緩和，當(dāng)保溫時間過長時，即達到8h、10h，氮化物又開始變得粗化，時間越長組織粗化越嚴(yán)重，硬度越低；另一方面原因可能是由于長時間的加熱保溫，試樣表面的Cr元素逐漸流失，導(dǎo)致表面CrN的含量降低，因為CrN具有很高的結(jié)合強度和硬度，所以CrN含量的減少會造成試樣表面硬度的下降。從表3可以看出2h、4h的循環(huán)共滲試樣表面硬度沒有恒溫共滲10h的表面硬度高，這可能是由于共滲的時間過短，滲入的碳、氮元素含量不高導(dǎo)致。但是6h、8h、10h的循環(huán)共滲試樣的表面硬度均高于同溫度的恒溫共滲10h的試樣，且6h的試樣表面硬度最高，這說明相同溫度下循環(huán)滲氮要優(yōu)于常規(guī)的恒溫滲氮。

4結(jié)論

1）試樣的表面硬度隨著共滲溫度的升高而增大，但超過530°后，表面硬度反而降低。

2）試樣的表面硬度隨著共滲時間的延長而增大，但超過6h后，表面硬度又緩慢降低。

3）共深層的厚度隨著共滲溫度的升高而變厚，隨著共滲時間的延長而增加。

4）循環(huán)離子多元共滲效果要優(yōu)于常規(guī)恒溫離子滲氮。