丙烷浓度对45钢离子碳氮共渗的影响

　　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。