空氣流量對45鋼離子氧氮共滲的影響

　　首次采用空氣、氮氣和氫氣混合氣源對45 鋼進行離子氧氮共滲，并研究空氣流量對滲速和組織性能的影響。采用金相顯微鏡、X 射線衍射、電化學(xué)工作站對處理后的45 鋼進行測試和分析。研究結(jié)果表明，在離子氧氮共滲過程中添加適量的空氣比傳統(tǒng)離子氧氮共滲有顯著的優(yōu)勢，其中空氣流量為0.2L/min 時獲得最佳滲層厚度與耐蝕性。溫度550℃、保溫4h 工藝條件下，滲層厚度達到約60 μm，是傳統(tǒng)離子滲氮的2 倍以上；耐腐蝕性也比傳統(tǒng)離子滲氮有進一步提高。0.2 L/min的空氣流量得到的鐵氧化合物主要是Fe3O4，空氣流量≥0.4 L/min 時，F(xiàn)e2O3相增加，氮氧共滲效果變差。

　　45 鋼是一種中碳結(jié)構(gòu)鋼，廣泛應(yīng)用于眾多需要優(yōu)良綜合性能的結(jié)構(gòu)零件。為進一步擴大其工業(yè)應(yīng)用，有必要通過化學(xué)熱處理改善其表面耐磨性和耐蝕性，常用的技術(shù)方法有表面淬火、軟氮化和離子滲氮等。其中離子滲氮屬于環(huán)境友好的表面熱處理技術(shù)，具有滲速快、熱效率高等優(yōu)點，并且輝光均勻覆蓋工件表面，可以處理形狀復(fù)雜的工件，但不足是:處理周期長、能耗大、設(shè)備效率低。

　　已有的研究表明，氣體滲氮過程中加入氧可以大大提高滲氮速度，從而降低能源消耗，縮短生產(chǎn)周期，而且氧氮共滲還有利于提高滲層硬度。同時，由于氧氮共滲的滲層表面可生成了一層以Fe3O4為主、輔以少量Fe2O3的氧化膜，該氧化膜具有摩擦系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性高的特點，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為可進一步提高零件的耐磨性和耐蝕性。

　　本研究首次報道采用空氣、氮氣和氫氣作為氣源對45 鋼進行離子氧氮共滲，目的是探索離子滲氮過程中適量添加空氣，是否能像氣體氮化一樣起到顯著提高滲速并進一步改善組織性能的效果。同時，系統(tǒng)研究空氣流量對45 鋼離子氮氧共滲滲層組織與性能的影響。

　　1、實驗材料及方法

　　實驗材料為調(diào)質(zhì)態(tài)45 鋼，基體硬度約290HV0.05，化學(xué)成分(質(zhì)量比) 為0.42% ～0.50% C，0.17% ～0.36% Si， 0.50% ～0.70% Mn，其余為Fe。采用線切割加工成尺寸為10mm×10mm×5mm的試樣，并采用240- 2000 號的砂紙逐步進行打磨，最后在無水乙醇中用超聲波清洗15 min，取出吹干并放入密封袋待用。

　　將試樣放置在向LD-8CL 型直流等離子體滲氮爐內(nèi)，進行離子氮氧共滲，工藝流程如圖1 所示，主要分如下四步：①抽真空使爐內(nèi)氣壓小于20 Pa，通入氫氣，流量為0.5 L/min，對試樣進行濺射加熱和清潔處理，保持0.5 h；②氫氣流量提高到0.6 L /min，并通入流量為0.2 L /min 的氮氣，加熱試樣到550℃；③在保持上述氫氣和氮氣流量不變的情況下，通入不同流量的空氣，進入離子氮氧共滲階段，保溫4 h；④關(guān)閉所有氣源，試樣在離子滲氮爐內(nèi)冷卻到室溫。

圖1 離子氧氮共滲工藝流程圖

　　使用DMI-3000M 型金相顯微鏡觀察離子氮氧共滲的截面組織形貌，并用D/max-2500 型X 射線衍射儀(XRD) 分析試樣表層的物相結(jié)構(gòu)；采用HXD-1000TMC 型顯微硬度計測量試樣的表面硬度，載荷為50 g，保荷時間為15 s，測量5 次，取平均值作為硬度值；采用CS 350 電化學(xué)測試系統(tǒng)在3.5%NaCl 溶液中測量試樣在室溫下的極化曲線，選擇飽和甘汞電極(SCE) 作為參比電極，Pt 電極作為輔助電極，掃描速率為10 mV/s。

　　2、結(jié)論

　　(1) 加入流量≤0.3 L/min 的空氣對離子滲氮產(chǎn)生明顯促進作用，且進一步改善45 鋼耐蝕性；

　　(2) 離子氧氮共滲的最佳空氣流量為0.2 L/min，溫度550℃、保溫4 h 工藝條件下，白亮層達到約60 μm，是普通離子滲氮的兩倍以上；形成的鐵氧化合物主要為Fe3O4相，顯著改善45 鋼耐蝕性；

　　(3) 空氣流量≥0.4 L /min 時，表面形成的氧化物較多，且主要為Fe2O3，不利于氮化層形成并降低45 鋼耐蝕性。