丙烷浓度对45钢离子碳氮共渗的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)常州大学 江苏省材料表面科学与技术重点实验室 作者:叶雪梅

  首次以丙烷作为供碳剂对45钢进行离子碳氮共渗。利用金相显微镜、X射线衍射仪和显微硬度计研究了丙烷浓度对试样截面形貌、物相组成和表面硬度的影响。结果表明:随丙烷浓度的增加,化合物层厚度和表面硬度均呈现先增大后减小的趋势。当丙烷浓度为1.5%时,510℃离子碳氮共渗4h后,化合物层厚度和表面硬度分别达到最大值40μm 和779HV0.05,同时得到以ε相为主,并伴有极少量渗碳体的最优物相组成。当丙烷浓度超过1.5%时,化合物层厚度和表面硬度均下降,这是由于渗碳体相含量随丙烷的增加而增加,并当丙烷浓度为2.5%时渗碳体成为主要物相,从而阻碍了C、N原子向基体内的进一步扩渗。

  离子碳氮共渗是一种表面化学热处理技术,处理后在工件表面形成C、N原子的富集区,该富集区划分为化合物层和扩散层。化合物层一般包括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、耐蚀性以及抗氧化性,而ε相的耐蚀性又优于γ′相,因此ε相的形成更有利于提高其表面耐蚀性。扩散层是Fe的过饱和固溶体,即此时C、N原子处于铁素体晶格点阵的间隙位置,其作用是提高材料的疲劳强度以及抗载荷能力。

  相对于传统的碳氮共渗技术而言,离子碳氮共渗技术具备一系列优点,如对环境无污染、渗速快、渗层易控制、渗后工件质量好等,因此离子碳氮共渗技术得到了广泛应用。但是研究表明在含C、N等离子辉光放电气氛中,很难在普通碳素钢表面形成以ε相为主的物相结构,难点在于供碳剂种类的选择以及其浓度的控制。当供碳剂为甲烷时,只得到单一的γ′相或γ′相、ε 相和渗碳体的混合物相,而从CO2、CO中电离出的活性碳原子又不足以产生以ε相为主的物相结构。因此,为了在45钢表面得到以ε相为主的物相结构,研究新的供碳剂及其合适的浓度具有十分重要的意义。

  本研究选用丙烷作为供碳剂,研究了不同的丙烷浓度(从0.5%到2.5%)对45钢离子碳氮共渗的影响,其目的是得到渗速最快且相组成最优的最佳工艺。此外,为比较不同供碳剂的渗后效果,设定浓度为1.5%的甲烷离子碳氮共渗后的试样为参考试样。

  1、实验材料及方法

  实验材料为45钢,其化学成分(质量比)为:0.46% C,0.17% Si,0.52% Mn,0.031% S,0.032% P,其余为Fe。采用线切割将45钢加工成尺寸为10mm×10mm×5mm 的试样,再对其进行调质处理:830℃下保温8min立刻水冷,随后在560℃回火20min;最后将调质后的试样用240~2000目的砂纸进行打磨,并置于无水乙醇中进行超声波清洗,以得到清洁的试样表面,再吹干,待用。将准备好的试样放置在真空炉内,并抽真空使得炉内气压小于10Pa。再通入不同比例的氮气和供碳剂,并保持炉内气压均为290Pa。实验中,丙烷的浓度的变化范围为0.5%~2.5%,参考试样的所采用的甲烷浓度为1.5%,所有的试样离子碳氮共渗温度均为510℃,保温时间均为4h。

  利用DMI-3000M 型金相显微镜观察离子碳氮共渗试样的截面组织形貌,并用D/max-2500型X射线衍射(XRD)仪分析试样表层的物相组成,采用HXD-1000TMC型维氏显微硬度计测量试样的表面硬度,载荷为0.05kgf,保荷时间为15s,取4次测量的平均值作为最终硬度值。

  3、结论

  由于丙烷的电离能比甲烷低,更易分解,因此比甲烷更适合作为供碳剂。研究发现随着丙烷浓度的增加,化合物层厚度和表面硬度均呈现先增大后减小的趋势。当丙烷浓度为1.5%时,在510℃离子碳氮共渗4h后,化合层厚度达到最大值40μm,表面硬度达到最大值779HV0.05,同时得到以ε 相为主,并伴有极少量渗碳体的最优相组成。当丙烷浓度超过1.5%时,化合物层的厚度和表面硬度均下降,这是由于渗碳体相随丙烷的增加而增加,并在丙烷浓度为2.5%时成为主要物相,从而阻碍了C、N原子向基体内的进一步扩散,导致化合物层厚度和表面硬度下降。

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