采用普通空氣對(duì)42CrMo鋼離子滲氮樣進(jìn)行了離子后氧化處理。采用金相、掃描電鏡、X射線衍射儀、電化學(xué)性能分析測(cè)試儀對(duì)復(fù)合滲層的顯微組織、滲層厚度、物相、耐蝕性及電化學(xué)試驗(yàn)后試樣表面進(jìn)行了測(cè)試和分析。研究結(jié)果表明，對(duì)42CrMo鋼離子滲氮樣進(jìn)行空氣后氧化處理可在氮化層表面形成一層1～2μm厚、由Fe3O4和Fe2O3組成的氧化層，且兩種氧化物比值由后氧化工藝參數(shù)決定，400℃、60min后氧化時(shí)生成的氧化層Fe3O4含量最大，電化學(xué)實(shí)驗(yàn)后的試樣表面沒(méi)有出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象，由此獲得最佳耐蝕性。高含量Fe3O4基于該條件下生成Fe3O4的化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能較小。結(jié)果還發(fā)現(xiàn)隨后氧化時(shí)間延長(zhǎng)或溫度升高，離子氮化層厚度逐漸減薄。

　　42CrMo鋼具有良好的綜合性能，如高強(qiáng)度和韌性，淬透性好等被廣泛應(yīng)用于齒輪。為滿足齒輪表面耐磨、心部良好韌性的設(shè)計(jì)要求，擴(kuò)大工程領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域，一般都要進(jìn)行表面熱處理。現(xiàn)階段離子滲氮技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于鋼件表面強(qiáng)化處理，但是離子滲氮后形成的滲氮層耐蝕性不能滿足特殊環(huán)境的服役要求。

　　離子滲氮+后氧化復(fù)合工藝是在離子滲氮之后再進(jìn)行一次離子氧化處理的復(fù)合工藝，進(jìn)一步提高滲層的綜合性能。后氧化過(guò)程中，化合物層發(fā)生調(diào)幅分解，同時(shí)在滲氮層上生成一層致密的以Fe3O4物相為主、外加少量Fe2O3物相的氧化層。南昌大學(xué)周潘兵對(duì)此進(jìn)行了研究，并確定了W6Mo5CrV2最佳后氧化工藝，但該工藝參數(shù)對(duì)其他材料不具備普適性并且沒(méi)對(duì)氧化機(jī)理作深入分析。

　　本文采用空氣作為氧化氣源，可大大節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本，且易于操作。將離子后氧化與42CrMo鋼離子滲氮結(jié)合起來(lái)，研究離子后氧化溫度與時(shí)間對(duì)復(fù)合滲層組織及耐蝕性的影響，并從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度對(duì)離子后氧化機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)探討。

　　1、實(shí)驗(yàn)材料及方法

　　實(shí)驗(yàn)材料為調(diào)質(zhì)態(tài)42CrMo鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：0.39% ～0.42% C；0.16% ～0.24%Mo；0.75%～1.0% Mn；0.15%～0.34% Si；0.9%～1.02% Cr；其余為Fe。調(diào)質(zhì)后試樣基體硬度為350HV0.05。采用線切割切成10mm×10mm×5mm試樣，表面依次用240～2000目的SiC砂紙磨平，再用金剛石拋光至鏡面，最后用無(wú)水乙醇在超聲波中清洗10～15min，并用吹風(fēng)機(jī)吹干，待用。離子滲氮后氧化復(fù)合處理工藝流程主要分3步，如圖1所示。

圖1　離子滲氮后氧化工藝流程圖

　　首先，向LD-8CL型直流等離子體滲氮爐內(nèi)通入氫氣進(jìn)行濺射加熱和清潔處理；當(dāng)達(dá)到設(shè)定的溫度后通入氫氣和氮?dú)�，N2/H2比為1：3，進(jìn)行離子氮化，滲氮溫度為550℃、時(shí)間為4h；氮化結(jié)束后，在離子爐內(nèi)冷卻到氧化溫度，通入空氣進(jìn)行后氧化，空氣流量為4L/min，氧化結(jié)束后隨爐冷卻到室溫。所采用的氧化工藝參數(shù)如表1所示。采用金相顯微鏡和JSM-6510型掃描電鏡(SEM)對(duì)截面組織進(jìn)行觀察；D/max 2500型X射線衍射(XRD)儀對(duì)滲氮層物相進(jìn)行分析；采用TD7300型電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)在3.5%NaCL溶液中測(cè)量氧化后的試樣在室溫下的極化曲線，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為Pt電極，掃描速度為1mV/s。

表1　氧化復(fù)合處理工藝參數(shù)與化合物層深度及耐腐蝕性結(jié)果

　　3、結(jié)論

　　(1)普通空氣可替代氧氣作為離子后氧化氧化氣源，從而大大節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。

　　(2)42CrMo鋼經(jīng)離子滲氮后氧化處理，在滲氮層表面生成一層致密的氧化層，隨著離子氧化時(shí)間的延長(zhǎng)或溫度升高，化合物層氮化物相厚度逐漸減薄。

　　(3)42CrMo鋼經(jīng)離子滲氮后氧化處理后，生成的氧化層由Fe3O4和Fe2O3物相組成，兩者比例取決于離子后氧工藝參數(shù)。

　　(4)離子后氧化處理能顯著提高42CrMo鋼離子滲氮樣的耐腐蝕性能，其中氧化工藝400℃、60min時(shí)生成Fe3O4的化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能較小，氧化層中Fe3O4和Fe2O3比例最大，獲得最優(yōu)耐蝕性。