氣體氮碳共滲及后氧化復(fù)合處理研究

唐光輝 肖江華 潘行杰

摘 要：本研究采用氣體氮碳共滲及后氧化復(fù)合表面處理技術(shù)對45#鋼和40Cr鋼表面進(jìn)行改性，并對處理后工件的硬度、金相組織、尺寸變形量、表面粗糙度、耐蝕性進(jìn)行研究。結(jié)果表明：經(jīng)復(fù)合處理后45#鋼和40Cr鋼表面硬度明顯提高，分別為HV0.1580和HV0.1637;兩種材料滲層金相組織均由白亮層及氧化層組成，45#鋼和40Cr鋼白亮層厚度分別為22.4 μm和19.6 μm，氧化層厚度均為1.7 μm;復(fù)合處理后兩種材料直線度沒有較大變化，外徑均略有增大，45#鋼外徑增大0.006 3 mm，40Cr鋼增大0.002 7 mm;粗糙度基本保持不變;鹽霧試驗結(jié)果顯示，復(fù)合處理的45#鋼和40Cr鋼經(jīng)400 h中性鹽霧試驗無銹點(diǎn)，具有良好的耐蝕性。

關(guān)鍵詞：氣體氮碳共滲;后氧化;復(fù)合處理;耐蝕性

中圖分類號：TG156.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）19-0111-04

Abstract： The surface of 45# steel and 40Cr features improved by gas nitrogen carburizing and post oxidation combined surface treatment， study on the hardness， metallographic structure， dimension deformation， surface roughness and corrosion resistance.The results show that the surface hardness of 45# steel and 40Cr is improved obviously after composite treatment. The Measured values are HV0.1580 and HV0.1637 Respectively， The metallographic structure of the infiltration layer of the two materials is composed of the white-bright layer and the oxide layer. The thickness of 45# steel and 40Cr white-bright layer are 22.4 μm and 19.6 μm respectively， both of the oxide layer thickness layer are 1.7 μm. The two materials straightness accuracy did not change greatly after treatment. The outer diameter was increased slightly; 45# steel material outer diameter increased by 0.006 3 mm， 40Cr material increases by 0.002 7 mm as well as the roughness no change basically. The results of salt spray test show that the composite 45# steel and 40Cr material have no rust points after 400 hours neutral salt spray test which means have good corrosion resistance.

Keywords：Gas nitro carburizing of total permeability; post-oxidation; composite processing; corrosion resistance

汽車雨刮電機(jī)輸出軸是雨刮系統(tǒng)聯(lián)動機(jī)構(gòu)的主要組成部件，常用材料為45#鋼和40Cr鋼。產(chǎn)品需要滿足高精度、高硬度、耐腐蝕性好等技術(shù)要求，傳統(tǒng)的處理方式是鹽浴氮化[1]，即QPQ（Quench-Polish-Quench）處理。然而，鹽浴氮化工況惡劣，采用的處理鹽為劇毒氰化物[2-4]，廢鹽環(huán)境污染嚴(yán)重，因而其日益受到環(huán)保限制。相關(guān)文件提出，要以氣體氮化（氮碳共滲和后氧化的復(fù)合處理）取代鹽浴氮化技術(shù)，實現(xiàn)表面處理的綠色環(huán)保和精確控制。

本文采用氣體氮碳共滲及后氧化復(fù)合表面處理技術(shù)在45#鋼和40Cr鋼表面進(jìn)行改性試驗?；舅悸肥牵菏紫葘ぜM(jìn)行氣體氮碳共滲處理[5]，使工件表面形成由疏松層和白亮層組成的氮碳共滲組織，提高工件表面硬度和耐蝕性[6];然后再進(jìn)行高溫氧化處理，在產(chǎn)品表面形成Fe3O4氧化膜[7]，以進(jìn)一步提高工件的耐蝕性。通過對處理后的產(chǎn)品硬度、金相組織、尺寸變形量、粗糙度、耐蝕性等關(guān)鍵特性進(jìn)行分析，探討以氣體氮碳共滲和后氧化結(jié)合的復(fù)合表面處理技術(shù)代替鹽浴氮化在汽車雨刮電機(jī)輸出軸應(yīng)用的可行性。

1 試驗材料與設(shè)備

1.1 試驗材料

采用常規(guī)雨刮電機(jī)輸出軸材料45#鋼和40Cr鋼，熱軋冷拉態(tài)，金相組織均為鐵素體+珠光體，材料制作成Φ25 mm×150 mm試樣。材料成分見表1和表2，材料金相組織見圖1和圖2。

1.2 試驗設(shè)備

采用DS-1635型井式氣體氮化爐進(jìn)行氮碳共滲及后氧化復(fù)合處理;采用MHV-1000型維氏硬度計測試硬度;采用XJP-6A金相顯微鏡觀察金相組織;采用0-100型跳動儀測量變形量;采用SURFCOM1400G粗糙度儀測量粗糙度;采用BY-120型鹽霧試驗機(jī)測試耐蝕性。

2 工藝試驗參數(shù)

氮碳共滲及后氧化均在DS-1635型150 kW井式氮化爐中進(jìn)行，氮碳共滲采用氨氣+二氧化碳+氮?dú)饣旌蠚怏w，比例為6∶1∶1，處理溫度為560 ℃±10 ℃，保溫時間4 h;氮碳共滲結(jié)束后隨爐降溫至500 ℃±10 ℃，通入水蒸氣進(jìn)行后氧化處理，保溫時間1 h，然后隨爐降溫至200 ℃以下出爐。工藝曲線見圖3。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 硬度結(jié)果分析

45#鋼和40Cr鋼經(jīng)氣體氮碳共滲及后氧化復(fù)合處理前后的表面硬度見表3。由表3可以看出，處理前兩種材料硬度差別不大;處理后45#鋼表面硬度平均為HV0.1580，40Cr鋼表面硬度平均為HV0.1637。這是因為處理后，N原子及少量C原子滲入，與基體中的Fe原子結(jié)合，形成Fe的氮化物和碳化物，顯著提高材料的表面硬度[8]。在40Cr鋼中，基體中的Cr原子和滲入的N原子及C原子形成了Cr的氮化物及Cr的碳化物，彌散分布在基體中，進(jìn)一步提高了材料的表面硬度[9]。因此，在處理后，40Cr鋼比45#鋼表面硬度高HV0.157。

3.2 金相組織分析

圖4和圖5分別是45#鋼和40Cr鋼經(jīng)復(fù)合處理后的金相組織照片。從圖上可以看出，兩種材料在基體表面均形成了明顯的白亮層及氧化層，白亮層由疏松層和致密層組成。其中，45#鋼白亮層厚度為22.4 μm，疏松層厚度為7.8 μm，氧化層厚度為1.7 μm;40Cr鋼白亮層厚度為19.6 μm，疏松層厚度為7.3 μm，氧化層厚度為1.7 μm。疏松層的產(chǎn)生主要是由亞穩(wěn)定的高氮ε相分解造成的。45#鋼的白亮層厚度比40Cr鋼厚2.8 μm ，這是由于Cr原子半徑是0.185 0 nm，F(xiàn)e原子半徑是0.124 1 nm，Cr原子半徑大于鐵原子，阻礙了N原子在基體中的擴(kuò)散，導(dǎo)致N原子在40Cr鋼中的擴(kuò)散系數(shù)小于45#鋼，從而影響了白亮層厚度。

3.3 變形量分析

表4和表5分別是兩種材料復(fù)合處理前后的直線度和外徑變化。從表4可以看出，直線度處理前后沒有明顯變化，這是因為處理溫度低，時間短。從表5可以看出，處理后的外徑均變大，原因是在處理過程中，工件表面吸收的N原子和C原子，生成各種氮化物及少量碳化物，表面原始組織的晶格常數(shù)增大，宏觀表現(xiàn)為表層體積略有增加。其中，45#鋼外徑增大0.006 3 mm，40Cr鋼外徑增大0.002 7 mm，45#鋼的外徑變化范圍大于40Cr。

3.4 表面粗糙度分析

45#鋼和40Cr鋼處理前后粗糙度變化情況如表6所示。從表6可以看出，復(fù)合處理后兩種材料的表面粗糙度基本保持不變，氣體氮碳共滲和后氧化不會改變材料表面粗糙度[10]。

3.5 鹽霧試驗結(jié)果分析

采用BY-120型鹽霧試驗機(jī)進(jìn)行耐蝕性研究。試驗工件為經(jīng)氣體氮碳共滲及后氧化復(fù)合處理的45#鋼和40Cr鋼各3支，試驗標(biāo)準(zhǔn)依照《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》（GB/T 10125—2012）執(zhí)行，試驗參數(shù)見表7。結(jié)果顯示（見圖6），400 h鹽霧試驗后，工件表面無銹點(diǎn)，經(jīng)氣體氮碳共滲及后氧化復(fù)合處理45#鋼和40Cr鋼具有良好的耐蝕性，可以滿足汽車雨刮電機(jī)輸出軸的鹽霧試驗要求。

4 結(jié)論

①經(jīng)氣體氮碳共滲及后氧化復(fù)合處理后，45#鋼和40Cr鋼表面硬度明顯提高，表面硬度均值分別為HV0.1580和HV0.1637。

②經(jīng)氣體氮碳共滲及后氧化復(fù)合處理后，在45#鋼和40Cr鋼基體表面均形成明顯的白亮層及氧化層，白亮層由疏松層和致密層組成;其中，45#鋼白亮層厚度22.4 μm，疏松層厚度7.8 μm，氧化層厚度1.7 μm;40Cr白亮層厚度19.6 μm，疏松層厚度7.3 μm，氧化層厚度1.7 μm。

③經(jīng)氣體氮碳共滲及后氧化復(fù)合處理后，兩種材料工件直線度沒有較大變化，外徑均略有增大，45#鋼外徑增大0.006 3 mm，40Cr鋼增大0.002 7 mm，45#鋼的外徑變化范圍大于40Cr。

④經(jīng)氣體氮碳共滲及后氧化復(fù)合處理后，兩種材料工件表面粗糙度沒有明顯變化。

⑤經(jīng)氣體氮碳共滲及后氧化復(fù)合處理后，45#鋼和40Cr具有良好的耐蝕性，400 h鹽霧試驗后，工件表面無銹點(diǎn)，可以滿足汽車雨刮電機(jī)輸出軸的鹽霧試驗要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]祝偉，羅德福.低溫鹽浴滲氮工藝研究[J].熱處理工藝，2012（2）：77-79.

[2]李惠友，羅德福，林訓(xùn)華.QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997：81-82.

[3]李惠友，羅德福，吳少旭.QPQ技術(shù)的原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：68-69.

[4]YEUNG C F，LAO K H，LI Y H，et al.Advanced QPQ complexsalt bath heat treatment[J].Journal of Materials Processing Technology，1997（1）：249-252.

[5]史楠楠.氣體氮化及軟氮化原理淺析及區(qū)別[J].橡塑技術(shù)及裝備，2015（41）：57-60.

[6]章敬保，楊川，張程菘，等.氣體氮化對碳鋼耐蝕性的影響及化合物層的價電子理論分析[J].腐蝕與防護(hù)，2018（3）：207-212.

[7]陳天殷.硅鋼片及鐵心的蒸氣發(fā)黑工藝[J].微電機(jī)，1988（3）：46-49.

[8]陳磊，揭曉華，于能，等.氣體軟氮化工藝研究新進(jìn)展[J].表面技術(shù)，2010（1）：81-84.

[9]村上博充.氣體軟氮化氣氛控制[J].國外金屬熱處理，1999（5）：9-12.

[10]劉必榮.球墨鑄鐵曲軸表面氣體軟氮化強(qiáng)化處理研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2006（6）：86-89.

3075500338202