鈦催化滲氮工藝提高工(模)具鋼性能的研究

包 耳，陳世杰

(1.大連民族學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)院，遼寧大連116605;2.大連億達(dá)日平機(jī)床有限公司，遼寧大連116023)

滲氮(氮化)工藝可以有效提高工(模)具的耐磨性和耐腐蝕性而被廣泛使用，同時氮化還可提高抗熱疲勞性和抗粘附性能［1-2］。但普通滲氮工藝的最大缺點是滲層薄，而且工藝時間長、生產(chǎn)效率低。

為改變普通滲氮時間長、硬度不均等缺點，人們曾對氮化時加入電解鈦而使?jié)B氮速度加快和滲層加深的新工藝(當(dāng)時被稱為鍍鈦氮化工藝)進(jìn)行了廣泛的研究，并試用于一些產(chǎn)品［3-4］。但由于該工藝過程非常復(fù)雜，一直以來并未得到實際應(yīng)用。但是在工(模)具的制造工藝中，如何利用氮化技術(shù)提高其性能的同時又提高生產(chǎn)效率的研究一直沒有間斷過［5-6］。本文正是在這一方面進(jìn)行了研究，并得到較好的結(jié)果。

1 對比研究

本文作者與某專業(yè)熱處理廠在鹽浴氮化時鈦的催滲機(jī)理和催滲作用方面進(jìn)行了較為廣泛的合作研究，做了大量實驗，取得有益結(jié)果。

1.1 普通滲氮和鈦催化滲氮滲層及表面硬度對比

分別選用合金滲碳鋼38CrMoAl、球墨鑄鐵QT500-7、和碳素鋼20，進(jìn)行了普通滲氮和鈦催化滲氮在滲層厚度及表面硬度方面的對比試驗，其結(jié)果見表1。

表1 普通滲氮和鈦催化滲氮的滲層厚度及表面硬度對比

1.2 鈦催化滲氮鉆頭與普通鉆頭的使用壽命對比

對市場購入以及一些合作企業(yè)提供的多種不同規(guī)格的普通高速鋼鉆頭，進(jìn)行了鈦催化滲氮前后使用壽命的對比實驗，其結(jié)果見表2。

表2 鈦催化滲氮鉆頭與普通鉆頭的使用壽命對比

2 顯微組織研究

45鋼試樣鈦催化滲氮后的光學(xué)金相組織如圖1。電子探針N、C、Fe成分線如圖2。電子探針成分面如圖3。

圖1 光學(xué)金相組織

圖2 電子探針N、C、Fe成分線

圖3 電子探針成分面

3 實驗結(jié)果分析

(1)由表1可見，對于同一鋼種，當(dāng)滲氮溫度和滲氮時間相同時，普通氣體滲氮比鈦催化滲氮的滲層深度低;當(dāng)滲氮溫度，滲層深度接近時，普通氣體滲氮遠(yuǎn)比鈦催化滲氮的滲氮時間長。由此說明，Ti具有明顯的催化滲入作用，可提高滲氮速度，增加滲層深度，減少滲氮時間。

表1還顯示，鈦催化滲氮對于不同類型的鋼種都具有類似的效果。

表1還顯示，當(dāng)普通氣體滲氮和鈦催化滲氮所獲得的滲層深度接近時，用時較短的鈦催化滲氮層的硬度略低，這主要是在滲氮過程中含有碳氮共滲的作用。時間較短時，碳的滲入量較少，故硬度略低。

(2)由表2可見，經(jīng)鈦催化滲氮的鉆頭具有良好的抗疲勞強(qiáng)度、耐沖擊、耐熱性和耐腐蝕性能，并且鉆頭的使用壽命明顯比采用其他方法熱處理鉆頭的使用壽命長，最高可達(dá)20倍。

4 顯微組織分析

(1)由圖1可見，該金相照片中有約100μm厚度的滲層組織，特征明顯。

(2)由圖2可見，在表層處，N和C的含量都明顯增加，而鐵Fe含量有所減少。

(3)在圖3中，圖(image4)顯示的是滲層表面到心部的N元素分布，可以看到N的含量由心部到表面逐漸增加，在表層深度約50μm的范圍內(nèi)達(dá)到很高濃度，繼而是約80μm的過渡層;圖(image 2)顯示的是滲層表面到心部的C元素分布，可以看到C的濃度同樣也是從心部到表面逐漸增加，這表明在滲氮的同時，還可達(dá)到N-C共滲的效果;圖(image3)顯示的是滲層表面到心部的Fe元素分布情況，可看到Fe的濃度在表面有所減少，這是由于N、C的滲入相對減少了Fe的含量。也表明在表面處有 Fe以外的元素滲入;圖(image6)顯示的是滲層表面到心部的Ti元素分布情況，可以看到這里是均勻的背底色，而沒有Ti元素的顯示，這說明在鈦誘導(dǎo)下的液態(tài)滲氮中，鈦只起到催滲作用，而不滲入零件表面。

5 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，N、C在試件中的表層較心部具有較高的濃度。說明在鈦誘導(dǎo)下，對液體滲氮具有明顯的催滲作用。

從實際生產(chǎn)和金相、電子探針實驗的檢測發(fā)現(xiàn)，鈦催化滲氮方法能夠提高滲速，增加滲層深度和表面硬度，并且比普通滲氮方法更加節(jié)能、環(huán)保、高效。

鈦催化滲氮唯一的缺點是，鈦是活潑金屬而不穩(wěn)定，不易控制和測定，故實際生產(chǎn)中的控制過程比較復(fù)雜。

［1］姚艷書，唐殿福.工具鋼及熱處理［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

［2］唐殿福.鋼的化學(xué)熱處理［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

［3］合肥模具廠，合肥工大.鍍鈦氮化—蒸發(fā)銹催化鹽浴氮化［J］.模具通訊，1975(2):202-205.

［4］柳州拖拉機(jī)廠.加鈦氮化處理［J］.金屬熱處理，1977(1):55-58.

［5］包耳，田紹潔.真空熱處理［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

［6］李慧友.QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.