離子滲復(fù)合處理與單一離子滲氮動力學(xué)對比研究*

孫 斐，盧陽陽，胡 靜

（1. 常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164；

2. 常州大學(xué)材料科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心，常州 213164）

45 鋼作為一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有低成本和良好的綜合力學(xué)性能，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[1–5]。為進(jìn)一步擴大其工程應(yīng)用領(lǐng)域，有必要通過化學(xué)熱處理改善其耐磨性與耐腐蝕性，以滿足不同工作環(huán)境的性能要求[6–10]。常用的化學(xué)熱處理方法有離子滲碳[11–14]、離子滲氮[15–17]、鹽浴滲氮[18]及離子氮碳共滲等[19–20]。相比于其他表面改性技術(shù)，離子氮碳共滲技術(shù)具有無污染、滲速快、滲層易控制等一系列優(yōu)點[21–23]，適用于碳素鋼、合金鋼、不銹鋼等材料[1，24]。

離子滲氮和離子氮碳共滲技術(shù)是化學(xué)熱處理領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點，其中離子滲氮可獲得具有良好性能的致密滲層，但工藝周期長、生產(chǎn)效率有待進(jìn)一步提高；離子氮碳共滲雖然效率比單一離子滲氮提高，但滲層容易出現(xiàn)疏松[5，8]?；陔x子滲氮和離子氮碳共滲技術(shù)各自的特點，本課題組探索了將兩者復(fù)合，達(dá)到發(fā)揮兩者優(yōu)勢，并克服各自不足的有利效果[25]。

基于此，本研究采用離子氮碳共滲與離子滲氮復(fù)合處理對45 鋼進(jìn)行表面改性，并與單一離子滲氮進(jìn)行對比研究，重點是對比離子滲復(fù)合處理與單一離子滲氮的動力學(xué)特性，旨在為該創(chuàng)新方法的工程實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗及方法

試驗材料為調(diào)質(zhì)態(tài)45 鋼，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）C 為0.43%～0.45%，Si為0.17%～0.37%，Mn為0.5%～0.8%，S 為0.031%，P 為0.031%，余量為Fe。采用線切割加工成尺寸為10 mm×10 mm×10 mm 的試樣，試樣表面先用SiC 砂紙進(jìn)行打磨，再用金剛石研磨膏拋光至鏡面，最后置于無水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗10～15 min，烘干，密封保存。

離子滲復(fù)合處理主要由以下3部分組成： （1）將試樣置于離子氮化爐中，抽真空至10 Pa 以下，通入氫氣濺射30 min，爐內(nèi)壓力保持300 Pa；（2）濺射結(jié)束后，通入氮氣，氮氣流量為500 mL/min； （3）當(dāng)爐溫升高至設(shè)定溫度（783～843 K）后，通入丙烷，氮氣與丙烷流量分別為591 mL/min 和9 mL/min，進(jìn)行離子氮碳共滲，保溫3 h 后，關(guān)閉丙烷，進(jìn)行離子滲氮，保溫1 h，即離子滲復(fù)合處理總時間為4 h，之后試樣隨爐冷卻至室溫。作為對比，采用相同溫度范圍和相同時間進(jìn)行單一離子滲氮。

采 用DMI–3000M 型 光 學(xué) 金 相顯微鏡觀察試樣截面顯微組織；采用D/max–2500 型X 射線衍射儀測試物相組成，使用Cu–Kα 射線，波長為λ=1.54 ?，掃描速度設(shè)為0.2°/min，步 寬 設(shè) 定 為0.02°，2θ范 圍 選 定 為20°～100° ；采用HXD–1000TMC 型顯微硬度計測量截面顯微硬度，加載載荷為0.05 kgf，加載時間為15 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織與滲層厚度

圖1 為45 鋼經(jīng)不同方法不同工藝處理后的截面顯微組織。可以看出，兩種方法都遵循相同的規(guī)律： 隨著溫度升高，化合層厚度均呈逐漸增大的趨勢。同時發(fā)現(xiàn)，在相同處理溫度下，45 鋼經(jīng)離子滲復(fù)合處理獲得的化合層厚度明顯大于離子滲氮，這主要是由于碳的加入使氣氛中氮勢提高，促進(jìn)了化合層的形成與增長。同時，溫度越高，兩者化合層厚度差距越大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是溫度升高使氣氛中活性原子的分解和擴散速率加快，促進(jìn)氮化物形成。可見，45 鋼經(jīng)離子滲復(fù)合處理后化合物層形成效率顯著提升。

圖1 45 鋼經(jīng)不同方法不同工藝處理后截面顯微組織Fig.1 Cross-sectional microstructure of 45 steel after different processes

2.2 XRD 物相分析

圖2 為45 鋼離子滲氮與離子滲復(fù)合處理（783 K/4 h）后XRD 衍射譜?？梢姡x子滲氮后化合層主要物相為ε 相和γ′相，而離子滲復(fù)合處理后化合層中新增了Fe3C 相。根據(jù)Fe–N–C 相圖可知，F(xiàn)e3C 相的出現(xiàn)是由于氣氛中碳濃度超過了碳原子在α–Fe 中的最大溶解度，導(dǎo)致Fe3C 的形成[26]。同時還可以看出，經(jīng)離子滲復(fù)合處理后ε 相衍射峰強度增加，而γ′相衍射峰強度逐漸變小，由此可知，化合層中的主要物相發(fā)生了由γ′相向ε 相的轉(zhuǎn)變，這主要是由于碳的加入，使晶格發(fā)生膨脹，碳原子擴散進(jìn)入基體中并置換其中的氮原子，促進(jìn)了ε 相的形成[22]。

2.3 截面硬度分析

圖3 為45 鋼離子滲氮與離子滲復(fù)合處理（783 K/4 h）后的截面硬度曲線，可以看出，隨著距離的增加，硬度逐漸下降，最終趨于平緩。45 鋼經(jīng)離子滲復(fù)合處理后截面硬度最大值為788HV0.05，比普通離子滲氮后獲得的截面硬度提高約40%。由圖2 可知，這主要是由于離子滲復(fù)合處理后滲層中出現(xiàn)較多ε 相所致。可以看出，普通離子滲氮后有效硬化層約為35 μm，而復(fù)合處理后有效硬化層顯著提高，達(dá)到約70 μm。

圖2 45 鋼離子滲氮與離子滲復(fù)合處理（783 K/4 h）后XRD 衍射譜Fig.2 XRD patterns of 45 steel after plasma nitriding and complex treatment(783 K/4 h)

圖3 45 鋼離子滲氮與離子滲復(fù)合處理（783 K/4 h）后的截面顯微硬度Fig.3 Cross-sectional microhardness of 45 steel after plasma nitriding and complex treatment（783 K/4 h）

2.4 動力學(xué)分析

圖4 為45 鋼經(jīng)離子滲氮與離子滲復(fù)合處理后化合層生長動力學(xué)曲線?？梢钥闯鲈谙嗤瑴囟认?，45 鋼離子滲復(fù)合處理后化合層厚度明顯大于單一離子滲氮，且隨溫度升高，兩者的化合物層厚度差距逐漸增大，843 K/4 h 離子滲復(fù)合處理后化合層厚度為33.2 μm，比單一離子滲氮化合層厚度增加約80%。

由于離子氮碳共滲與離子滲氮復(fù)合處理時化合層的生長是依靠氮、碳原子擴散來完成的，而對于擴散控制過程，擴散系數(shù)、激活能及溫度滿足Arrhenius 公式，即

式中，d為化合物層厚度，μm；A為擴散常數(shù)；Q為擴散激活能，kJ/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；T為溫度，K。

由式（1）可知，擴散激活能Q取決于lnd與1/T直線關(guān)系的斜率，因此，根據(jù)圖4 中化合層厚度可以得出45鋼經(jīng)離子滲氮與復(fù)合處理后的lnd與1/T線性擬合關(guān)系，如圖5 所示。由圖5 擬合得出的直線方程可得45 鋼不同工藝處理后形成化合層的擴散激活能Q和擴散常數(shù)A，如表1 所示。

圖4 45 鋼經(jīng)離子滲氮與離子滲復(fù)合處理后化合物層生長動力學(xué)曲線Fig.4 Compound layer thickness vs.temperature after plasma nitriding and complex treatment for 45 steel

圖5 45 鋼經(jīng)離子滲氮與離子滲復(fù)合處理后lnd 與1/T 線性擬合關(guān)系Fig.5 Plot of lnd vs. 1/T after plasma nitriding and complex treatment for 45 steel

將表1 所列Q和A數(shù)值代入Arrhenius 公式，就可得出本試驗條件下（保溫時間為4 h）45 鋼離子滲氮與離子滲復(fù)合處理時化合層厚度與保溫溫度之間的關(guān)系表達(dá)式，即

表1 45 鋼化合物層形成擴散激活能Q 和擴散常數(shù)ATable 1 Activation energy Q and diffusion constant A of compound layer for 45 steel

根據(jù)式（2）和（3）可以預(yù)測某一溫度下離子滲氮或離子滲復(fù)合處理不同時間獲得的化合層厚度；同時，為獲得設(shè)計要求的化合層厚度，可以計算出需要采用的離子滲氮或離子滲復(fù)合處理工藝條件，從而為離子滲氮與離子滲復(fù)合處理技術(shù)的實際應(yīng)用提供理論和試驗依據(jù)。

3 結(jié)論

（1）45 鋼經(jīng)離子氮碳共滲與離子滲氮復(fù)合處理后形成的化合層厚度比單一離子滲氮顯著提高。

（2）離子滲氮后滲層中主要物相為ε 相和γ′相，而離子氮碳共滲與離子滲氮復(fù)合處理后滲層中新增了Fe3C，且發(fā)生了由γ′相向ε相的轉(zhuǎn)變。

（3）離子氮碳共滲與離子滲氮復(fù)合處理可顯著提高45鋼滲層硬度，表層最大硬度達(dá)到788HV0.05，比單一離子滲氮截面硬度提高約40%，且有效硬化層顯著提高。

（4）45 鋼經(jīng)離子氮碳共滲與離子滲氮復(fù)合處理后化合層形成擴散激活能顯著降低，從單一離子滲氮的179.7 kJ/mol 降低到87.1 kJ/mol。

（5）獲得了45 鋼在783～843 K溫度范圍內(nèi)離子氮碳共滲與離子滲氮復(fù)合處理后化合層厚度與溫度之間的關(guān)系式分別為dplasmanitriding=exp(15.8–10810/T)，dcomplextreatment=exp(9.7–5237/T)。