40Cr钢碳氮氧循环离子共渗工艺及其性能研究

马晨阳

摘要温度、时间是离子共渗工艺中的最重要两个因素，本文通过实验寻找最佳的工艺参数并与常规等温离子共渗作比较。利用显微硬度计对试样进行研究分析。结果表明：40Cr钢经530°变温共渗6h，氨气流量0.3L/h，乙醇流量0.4L/min循环离子共渗处理，表面硬度最高，达到硬化要求，共渗层厚度为0.245mm，且梯度平缓，优于常规恒温离子共渗，使工件达到了优化的目的。

关键词40Cr合金钢；循环离子共渗；恒温离子共渗

40Cr钢是机械制造业使用最广泛的钢之一。调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。钢的淬透性良好，水淬时可淬透到φ28～60mm，油淬时可淬透到φ15～40mm。这种钢除了调质处理外还适于氰化和高频淬火处理。切削性能较好，当硬度为HB174～229时，相对切削加工性为60%。该钢适于制作中型塑料模具。对40Cr钢进行表面低温化学热处理，提高钢的力学性能，还能用作于制造一些重要的零部件。

等离子体渗氮是一项热门的低温化学热处理技术，它具有渗速快、渗层脆性小、节约能源等优点，深受科研工作者及生产者的青睐。近年来，对于渗氮工艺的要求主要着重在于工艺周期及渗层性能方面，多元循环共渗就是在此基础上综合各元素对材料表面强化所起的不同作用，从而提高渗层质量，缩短处理周期的工艺。碳氮离子共渗与传统工艺相比较，可以控制化合物层中的e相和F%C，共渗时间短，耐磨性、抗疲劳和抗咬合性能优良；碳氮氧离子共渗是在碳氮离子共渗的基础上加入氧元素，其化合物层相组织增加了Fexoy相，提高工件的耐腐蚀性能。本文是在离子渗氮的基础上加入含碳、氧的介质，实现40Cr钢碳氮氧多元离子循环共渗，并寻找出最优的共渗工艺。

1实验材料及方案

实验材料为40Cr合金钢，其化学成分见表1。

实验材料经850°油淬1h，640°回火2h的调质处理，实验方法：取渗氮温度、渗氮时间、渗氮工艺3个变量。实验方案如表2所示。

2实验试样的检测

采用Hx-1000TM/LCD型维氏硬度计测量试样表面硬度及硬度梯度，对试样施加载荷为200g，加载时间为15s；试样表面硬度及渗层厚度如表3所示。

3渗层硬度及硬度梯度的分析

从表3可以看出处理时间为2h、4h、6h的试样，其表面硬度都是随着共渗时间的增加而逐渐增大，2h的试样表面硬度增加的速率最快，渗氮时间为6h的试样，其表面硬度为最高，都达到了1200HV0.2以上，8h、10h的试样伴随着时间的继续增加，其表面硬度反而缓慢降低，这可能是两方面原因所致，一是因为随着共渗时间的延长，渗层化合物厚度增加，即渗层硬度增加，随着化合物的增厚，阻碍了氮、碳、氧向基体内部扩散，从而使渗层硬度上升速度减慢，硬度梯度变缓和，当保温时间过长时，即达到8h、10h，氮化物又开始变得粗化，时间越长组织粗化越严重，硬度越低；另一方面原因可能是由于长时间的加热保温，试样表面的Cr元素逐渐流失，导致表面CrN的含量降低，因为CrN具有很高的结合强度和硬度，所以CrN含量的减少会造成试样表面硬度的下降。从表3可以看出2h、4h的循环共渗试样表面硬度没有恒温共渗10h的表面硬度高，这可能是由于共渗的时间过短，渗入的碳、氮元素含量不高导致。但是6h、8h、10h的循环共渗试样的表面硬度均高于同温度的恒温共渗10h的试样，且6h的试样表面硬度最高，这说明相同温度下循环渗氮要优于常规的恒温渗氮。

4结论

1）试样的表面硬度随着共渗温度的升高而增大，但超过530°后，表面硬度反而降低。

2）试样的表面硬度随着共渗时间的延长而增大，但超过6h后，表面硬度又缓慢降低。

3）共深层的厚度随着共渗温度的升高而变厚，随着共渗时间的延长而增加。

4）循环离子多元共渗效果要优于常规恒温离子渗氮。