丙烷濃度對(duì)45鋼離子碳氮共滲的影響
首次以丙烷作為供碳劑對(duì)45鋼進(jìn)行離子碳氮共滲。利用金相顯微鏡、X射線衍射儀和顯微硬度計(jì)研究了丙烷濃度對(duì)試樣截面形貌、物相組成和表面硬度的影響。結(jié)果表明：隨丙烷濃度的增加，化合物層厚度和表面硬度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)丙烷濃度為1.5%時(shí)，510℃離子碳氮共滲4h后，化合物層厚度和表面硬度分別達(dá)到最大值40μm 和779HV0.05，同時(shí)得到以ε相為主，并伴有極少量滲碳體的最優(yōu)物相組成。當(dāng)丙烷濃度超過1.5%時(shí)，化合物層厚度和表面硬度均下降，這是由于滲碳體相含量隨丙烷的增加而增加，并當(dāng)丙烷濃度為2.5%時(shí)滲碳體成為主要物相，從而阻礙了C、N原子向基體內(nèi)的進(jìn)一步擴(kuò)滲。
離子碳氮共滲是一種表面化學(xué)熱處理技術(shù)，處理后在工件表面形成C、N原子的富集區(qū)，該富集區(qū)劃分為化合物層和擴(kuò)散層�；衔飳右话惆�γ′-Fe4(C，N)相和ε-Fe2-3(C，N)相，可以提高材料表面的硬度、耐磨性、耐蝕性以及抗氧化性，而ε相的耐蝕性又優(yōu)于γ′相，因此ε相的形成更有利于提高其表面耐蝕性。擴(kuò)散層是Fe的過飽和固溶體，即此時(shí)C、N原子處于鐵素體晶格點(diǎn)陣的間隙位置，其作用是提高材料的疲勞強(qiáng)度以及抗載荷能力。
相對(duì)于傳統(tǒng)的碳氮共滲技術(shù)而言，離子碳氮共滲技術(shù)具備一系列優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)環(huán)境無污染、滲速快、滲層易控制、滲后工件質(zhì)量好等，因此離子碳氮共滲技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。但是研究表明在含C、N等離子輝光放電氣氛中，很難在普通碳素鋼表面形成以ε相為主的物相結(jié)構(gòu)，難點(diǎn)在于供碳劑種類的選擇以及其濃度的控制。當(dāng)供碳劑為甲烷時(shí)，只得到單一的γ′相或γ′相、ε 相和滲碳體的混合物相，而從CO2、CO中電離出的活性碳原子又不足以產(chǎn)生以ε相為主的物相結(jié)構(gòu)。因此，為了在45鋼表面得到以ε相為主的物相結(jié)構(gòu)，研究新的供碳劑及其合適的濃度具有十分重要的意義。
本研究選用丙烷作為供碳劑，研究了不同的丙烷濃度(從0.5%到2.5%)對(duì)45鋼離子碳氮共滲的影響，其目的是得到滲速最快且相組成最優(yōu)的最佳工藝。此外，為比較不同供碳劑的滲后效果，設(shè)定濃度為1.5%的甲烷離子碳氮共滲后的試樣為參考試樣。
1、實(shí)驗(yàn)材料及方法
實(shí)驗(yàn)材料為45鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量比)為：0.46% C，0.17% Si，0.52% Mn，0.031% S，0.032% P，其余為Fe。采用線切割將45鋼加工成尺寸為10mm×10mm×5mm 的試樣，再對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理：830℃下保溫8min立刻水冷，隨后在560℃回火20min;最后將調(diào)質(zhì)后的試樣用240～2000目的砂紙進(jìn)行打磨，并置于無水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗，以得到清潔的試樣表面，再吹干，待用。將準(zhǔn)備好的試樣放置在真空爐內(nèi)，并抽真空使得爐內(nèi)氣壓小于10Pa。再通入不同比例的氮?dú)夂凸┨紕⒈３譅t內(nèi)氣壓均為290Pa。實(shí)驗(yàn)中，丙烷的濃度的變化范圍為0.5%～2.5%，參考試樣的所采用的甲烷濃度為1.5%，所有的試樣離子碳氮共滲溫度均為510℃，保溫時(shí)間均為4h。
利用DMI-3000M 型金相顯微鏡觀察離子碳氮共滲試樣的截面組織形貌，并用D/max-2500型X射線衍射(XRD)儀分析試樣表層的物相組成，采用HXD-1000TMC型維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量試樣的表面硬度，載荷為0.05kgf，保荷時(shí)間為15s，取4次測(cè)量的平均值作為最終硬度值。
3、結(jié)論
由于丙烷的電離能比甲烷低，更易分解，因此比甲烷更適合作為供碳劑。研究發(fā)現(xiàn)隨著丙烷濃度的增加，化合物層厚度和表面硬度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)丙烷濃度為1.5%時(shí)，在510℃離子碳氮共滲4h后，化合層厚度達(dá)到最大值40μm，表面硬度達(dá)到最大值779HV0.05，同時(shí)得到以ε 相為主，并伴有極少量滲碳體的最優(yōu)相組成。當(dāng)丙烷濃度超過1.5%時(shí)，化合物層的厚度和表面硬度均下降，這是由于滲碳體相隨丙烷的增加而增加，并在丙烷濃度為2.5%時(shí)成為主要物相，從而阻礙了C、N原子向基體內(nèi)的進(jìn)一步擴(kuò)散，導(dǎo)致化合物層厚度和表面硬度下降。
