钢件氮碳共渗+后氧化处理表面耐磨性研究

孔令飞，岳佳宏，孟璇，杨阳

山西航天清华装备有限责任公司 山西长治 046012

1 序言

氮碳共渗+后氧化复合处理技术（FD-NCO）可以在结构钢制造的机械零部件表面形成十余微米厚的化合物层（ε相，又称白亮层）和1～2μm厚的Fe3O4膜，使机械零部件表面同时具有优良的耐磨性和耐蚀性[1]。其渗氮层金相组织由扩散层、化合物层（白亮层）、氧化物层组成，如图1所示，化合物层的硬度比结构钢基体高几倍，因此处理后显著提高了结构钢表面的抗磨损性能[2]。

图1 渗氮层金相组织

本文对氮碳共渗+后氧化处理的试件进行摩擦磨损试验，为判断摩擦运动工况下服役的工件是否适合于采用氮碳共渗+后氧化工艺提供参考依据。

2 试件及试验方法

为增强对比效果，直观地说明氮碳共渗+后氧化渗氮层的耐磨性，以30CrMnSiA作为结构钢代表，以PH13-8Mo作为不锈钢代表，进行气体氮碳共渗+后氧化处理后，与淬火、镀铬、调质等传统强化工艺进行对比，设计摩擦磨损试件见表1，处于装夹状态的试件如图2所示，摩擦磨损试验后的试件如图3所示，摩擦磨损试验条件见表2。摩擦磨损试验机如图4所示，白光共交三维形貌仪如图5所示。

图2 试件（处于装夹状态）

图3 摩擦磨损试验后的试件

图4 Rtec往复摩擦磨损试验机

图5 白光共交三维形貌仪

表1 氮碳共渗+后氧化渗氮层耐磨性试件

表2 渗氮层摩擦磨损试验条件

3 试验结果及分析

3.1 摩擦系数

不同状态（见表1）的30CrMnSiA试件经摩擦磨损试验后，表面摩擦系数试验结果见表3。工艺温度为580℃的氮碳共渗+后氧化试件和淬火试件的表面摩擦系数如图6、图7所示。

不同状态（见表1）的PH13-8Mo试件经摩擦磨损试验后，表面摩擦系数试验结果见表4。工艺温度为560℃的氮碳共渗+后氧化试件和氮碳共渗试件的表面摩擦系数如图8、图9所示。

由以上试验结果可知，钢件经氮碳共渗+后氧化处理后，表面摩擦系数无明显变化。

3.2 30CrMnSiA试件磨痕深度

（1）试验结果 不同状态（见表1）的30CrMnSiA试件经摩擦磨损试验后，表面摩擦系数试验结果见表5，其中，工艺温度为560℃的氮碳共渗+后氧化试件与淬火、镀铬、调质试件的磨痕深度三维形貌对比如图10所示。

表3 不同状态的30CrMnSiA试件的表面摩擦系数

图6 30CrMnSiA氮碳共渗+后氧化（580℃）试件表面摩擦系数

图7 30CrMnSiA淬火试件表面摩擦系数

图8 PH13-8Mo氮碳共渗+后氧化（560℃）试件表面摩擦系数

图9 PH13-8Mo氮碳共渗试件表面摩擦系数

表4 不同状态PH13-8Mo试件的摩擦系数

（2）试验结果分析 具体分析如下。

1）由表5和图10可知，30CrMnSiA钢经氮碳共渗+后氧化处理后，由于渗氮层硬度高，故磨痕深度很浅，低于淬火、镀铬、调质等其他工艺一个数量级，证明其渗氮层耐磨性优异，不仅远高于基体，也远高于淬火、镀铬等常规表面强化工艺。

2）试验过程中，初始选择的摩擦配合副为高硬度钢球（＞60HRC），试验仅持续数分钟，该配合副即已磨损，之后更换Si3N4陶瓷球作为摩擦配合副，试验才得以继续，从侧面也证明了氮碳共渗+后氧化渗氮层耐磨性的优异。

3）试验过程中，摩擦部位颜色在1min内由灰黑色变为银色，说明复合渗氮层中的氧化层不具备耐磨性，耐磨性主要由化合物层（白亮层）提供。

4）随着氮碳共渗+后氧化处理工艺温度的提高，耐磨性略有降低，应与其疏松等级的提高有关。

3.3 PH13-8Mo试件磨痕深度

（1）试验结果 不同状态（见表1）的PH13-8Mo试件经摩擦磨损试验后，表面摩擦系数试验结果见表6，其中，工艺温度为560℃的氮碳共渗+后氧化试件与工艺过程中添加活化剂的活化试件、原始状态的时效试件的磨痕深度三维形貌对比如图11所示。

（2）试验结果分析 具体分析如下。

1）不锈钢氮碳共渗+后氧化渗氮层硬度极高，可达1000HV以上，耐磨性也应较好，但由于不锈钢氮碳共渗+后氧化处理效果不理想，渗氮层中化合物层（白亮层）不明显、不连续甚至无化合物层（白亮层，见图12），导致实际耐磨性不理想，反而大大低于结构钢氮碳共渗+后氧化试件（600HV以上），且稳定性差。

2）不锈钢氮碳共渗+后氧化效果不理想的原因为不锈钢中含有大量合金元素，如Cr、Ni、W等，这些元素与空气中的氧接触，在工件表面形成一层极薄且致密的氧化膜，即钝化膜。这层钝化膜在渗氮时不易破坏，从而阻碍着氮原子的渗入[3]。

表5 不同状态的30CrMnSiA试件表面的磨痕深度

图10 30CrMnSiA氮碳共渗+后氧化试件与淬火、镀铬、调质试件的磨痕深度三维形貌

表6 不同状态的PH13-8Mo试件表面的磨痕深度

图11 PH13-8Mo氮碳共渗+后氧化试件与活化、时效试件的磨痕深度三维形貌

图12 PH13-8Mo氮碳共渗+后氧化渗氮层金相组织

3）由图11中560℃试件与活化试件的的磨痕深度三维形貌对比可知，不锈钢氮碳共渗+后氧化处理过程中添加活化剂可部分改善其耐磨性，但效果仍不理想。

4 结束语

1）结构钢经氮碳共渗+后氧化处理后，摩擦系数无明显变化。

2）结构钢经氮碳共渗+后氧化处理后，耐磨性远高于淬火、镀铬等常规表面强化工艺。

3）氮碳共渗+后氧化渗氮层耐磨性主要由化合物层（白亮层）提供，氧化层则不具备耐磨性。

4）不锈钢氮碳共渗+后氧化效果不理想，导致其实际耐磨性不理想。