空气流量对45钢离子氧氮共渗的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)常州大学江苏省材料表面技术重点实验室 作者:刘晗

  首次采用空气、氮气和氢气混合气源对45 钢进行离子氧氮共渗,并研究空气流量对渗速和组织性能的影响。采用金相显微镜、X 射线衍射、电化学工作站对处理后的45 钢进行测试和分析。研究结果表明,在离子氧氮共渗过程中添加适量的空气比传统离子氧氮共渗有显著的优势,其中空气流量为0.2L/min 时获得最佳渗层厚度与耐蚀性。温度550℃、保温4h 工艺条件下,渗层厚度达到约60 μm,是传统离子渗氮的2 倍以上;耐腐蚀性也比传统离子渗氮有进一步提高。0.2 L/min的空气流量得到的铁氧化合物主要是Fe3O4,空气流量≥0.4 L/min 时,Fe2O3相增加,氮氧共渗效果变差。

  45 钢是一种中碳结构钢,广泛应用于众多需要优良综合性能的结构零件。为进一步扩大其工业应用,有必要通过化学热处理改善其表面耐磨性和耐蚀性,常用的技术方法有表面淬火、软氮化和离子渗氮等。其中离子渗氮属于环境友好的表面热处理技术,具有渗速快、热效率高等优点,并且辉光均匀覆盖工件表面,可以处理形状复杂的工件,但不足是:处理周期长、能耗大、设备效率低。

  已有的研究表明,气体渗氮过程中加入氧可以大大提高渗氮速度,从而降低能源消耗,缩短生产周期,而且氧氮共渗还有利于提高渗层硬度。同时,由于氧氮共渗的渗层表面可生成了一层以Fe3O4为主、辅以少量Fe2O3的氧化膜,该氧化膜具有摩擦系数低、化学稳定性高的特点,因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为可进一步提高零件的耐磨性和耐蚀性。

  本研究首次报道采用空气、氮气和氢气作为气源对45 钢进行离子氧氮共渗,目的是探索离子渗氮过程中适量添加空气,是否能像气体氮化一样起到显著提高渗速并进一步改善组织性能的效果。同时,系统研究空气流量对45 钢离子氮氧共渗渗层组织与性能的影响。

  1、实验材料及方法

  实验材料为调质态45 钢,基体硬度约290HV0.05,化学成分(质量比) 为0.42% ~0.50% C,0.17% ~0.36% Si, 0.50% ~0.70% Mn,其余为Fe。采用线切割加工成尺寸为10mm×10mm×5mm的试样,并采用240- 2000 号的砂纸逐步进行打磨,最后在无水乙醇中用超声波清洗15 min,取出吹干并放入密封袋待用。

  将试样放置在向LD-8CL 型直流等离子体渗氮炉内,进行离子氮氧共渗,工艺流程如图1 所示,主要分如下四步:①抽真空使炉内气压小于20 Pa,通入氢气,流量为0.5 L/min,对试样进行溅射加热和清洁处理,保持0.5 h;②氢气流量提高到0.6 L /min,并通入流量为0.2 L /min 的氮气,加热试样到550℃;③在保持上述氢气和氮气流量不变的情况下,通入不同流量的空气,进入离子氮氧共渗阶段,保温4 h;④关闭所有气源,试样在离子渗氮炉内冷却到室温。

离子氧氮共渗工艺流程图

图1 离子氧氮共渗工艺流程图

  使用DMI-3000M 型金相显微镜观察离子氮氧共渗的截面组织形貌,并用D/max-2500 型X 射线衍射仪(XRD) 分析试样表层的物相结构;采用HXD-1000TMC 型显微硬度计测量试样的表面硬度,载荷为50 g,保荷时间为15 s,测量5 次,取平均值作为硬度值;采用CS 350 电化学测试系统在3.5%NaCl 溶液中测量试样在室温下的极化曲线,选择饱和甘汞电极(SCE) 作为参比电极,Pt 电极作为辅助电极,扫描速率为10 mV/s。

  2、结论

  (1) 加入流量≤0.3 L/min 的空气对离子渗氮产生明显促进作用,且进一步改善45 钢耐蚀性;

  (2) 离子氧氮共渗的最佳空气流量为0.2 L/min,温度550℃、保温4 h 工艺条件下,白亮层达到约60 μm,是普通离子渗氮的两倍以上;形成的铁氧化合物主要为Fe3O4相,显著改善45 钢耐蚀性;

  (3) 空气流量≥0.4 L /min 时,表面形成的氧化物较多,且主要为Fe2O3,不利于氮化层形成并降低45 钢耐蚀性。

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