低碳鋼氣體滲氮-氮碳共滲工藝及其滲層改性研究.pdf

1、氮碳共滲是在工件表面同時滲入氮、碳元素的工藝過程。滲氮及氮碳共滲的目的是為了提高鋼鐵件的表面硬度、耐磨性、抗疲勞性、耐腐蝕性及抗咬合性。低碳鋼在滲氮或氮碳共滲中非常容易形成脆性化合物層，且化合物表層普遍存在孔洞和裂紋等疏松的組織缺陷，致使?jié)B層的韌性和耐磨性較差。針對這一系列問題，本文首先探索制備出致密的、N濃度分布均勻的化合物層試樣的滲氮工藝，然后對不同工藝滲氮試樣進(jìn)行后續(xù)熱處理改性研究。重點(diǎn)研究了滲氮/氮碳共滲后直接隨爐升溫在保護(hù)氣氛

2、下進(jìn)行奧氏體化處理，最后對淬火試樣進(jìn)行低溫時效處理，即對低碳鋼實(shí)施氮碳共滲+奧氏體化+低溫時效的復(fù)合工藝制度(AAN-T復(fù)合工藝)。利用金相顯微鏡(OM)、X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、電子探針(EPMA)、透射電鏡(TEM)及性能測試儀器，探究了低碳鋼氣體滲氮/氮碳共滲層以及其經(jīng)后續(xù)熱處理改性后的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能。主要得到以下結(jié)論:
　　(1)在純氨氣體滲氮中，氣體滲氮?dú)夥罩械牡瘎輰衔飳拥挠绊懸?guī)律隨滲氮溫度

3、的改變有所不同。當(dāng)滲氮溫度不高于550℃時，高氮化勢顯著增加化合物層厚度;當(dāng)滲氮溫度不低于580℃時，盡管低氮化勢延遲化合物層的形成，但化合物層一旦形成就快速增厚，且厚度達(dá)到甚至超過高氮化勢下化合物層的厚度。高氮化勢滲氮化合物層中N濃度隨滲層深度降低，其最外層N濃度高達(dá)10wt％;低氮化勢滲氮化合物層中N濃度分布均勻，大約為5wt％～6wt％。高氮化勢滲氮化合物層的耐蝕性較好，韌性和致密性較差。低氮化勢滲氮化合物層缺陷較少，韌性較高。<

4、br>　　(2)580℃氮碳共滲處理試樣的化合物層(約28μm)存在孔洞和裂紋等疏松的組織缺陷，但化合物層的致密性與氮化勢值KN存在“最優(yōu)關(guān)系”。KN值保持在0.42atm-1/2～0.68atm-1/2區(qū)間時，試樣化合物層的致密性最好。
　　(3)提出了利用氣體法實(shí)施氮碳共滲處理后直接隨爐升溫并在保護(hù)氣氛下進(jìn)行奧氏體化處理的工藝制度，再對高溫淬火試樣進(jìn)行低溫時效處理可消除由ε-Fe2-3N、γ'-Fe4N相組成的脆性化合物層，獲

5、得力學(xué)性能更優(yōu)異的貝氏體表面強(qiáng)化層，強(qiáng)化層由(α-Fe+γ'-Fe4N+α"-Fe16N2)的復(fù)相組織所組成。
　　(4)AAN-T復(fù)合工藝中的高溫奧氏體化階段易發(fā)生表層脫氮的現(xiàn)象，使?jié)B層表層產(chǎn)生孔洞和裂紋故而降低表面層的致密性。氮碳共滲階段獲得的化合物層（尤其是靠近表端）的N濃度越高，高溫奧氏體化階段脫氮越劇烈，表層致密性越差。在AAN-T復(fù)合處理工藝中的氮碳共滲處理階段，采用氮化勢值KN和時間t分別為0.68atm-1/2和1

6、h的短時低氮化勢工藝處理，可獲得厚度在40μm以上的致密貝氏體層。該致密貝氏體層的表面硬度值達(dá)到1023HV0.05，表面韌性和耐磨性也獲得進(jìn)一步的提高。
　　(5)與氮碳共滲后直接進(jìn)行時效處理相比，奧氏體化+時效處理的復(fù)合工藝不僅能提高滲層的硬度和表面韌性，而且更有利于調(diào)控氮碳共滲試樣的拉伸性能和抗疲勞性能。
　　(6)低碳鋼經(jīng)氮碳共滲處理后再經(jīng)奧氏體化和不同溫度時效處理，時效溫度在120℃～160℃時，奧氏體及其分解產(chǎn)物