盐浴渗氮工艺参数和渗氮层硬度的关系

盐浴渗氮工艺参数和渗氮层硬度的关系

韦习成, 符仁钰, 李　麟(上海大学材料学院, 上海　200072)

摘要:研究了CNO -浓度、钒的添加及冷却方式对盐浴渗氮层显微硬度的影响。分析了相组成、组织和相变等因素和渗层硬度

的关系。发现盐浴渗氮层的硬度受冷却方式的影响很大, 而CNO -浓度在一定范围变化则影响很小, 钒的渗入有利于改善渗层硬度。对中、低碳钢的研究表明, 渗后水冷和盐浴中添加钒等合金元素可使渗层硬度提高100～200HV 。关键词:盐浴渗氮; 硬度; 氰酸根浓度; 冷却方式中图分类号:TG15618+2　　文献标识码:B　　文章编号:025426051(2000) 1220016202

R elationship Bet w een Processing Parameters of Nitriding in Salt B ath and

H ardness of Nitrided Layer

WEI Xi 2cheng ,FU Ren 2yu ,L I Lin

(School of Materials ,Shanghai University ,Shanghai 200072)

Abstract :The microstructures and hardnesses of nitrided layers are studied based main ,such as con 2tent of CNO -,addition of vanadium in salt bath and cooling method The constituents ,microstructure and phase transformation on micro 2hardness of co 2diffusion layer It cooling ways greatly influence the hardness of nitrided layer ,and the content of CNO -within of little effect. The existence of vanadium in co 2dif 2fusion layer is favorable to improve nitrided The that the hardness of compound layer is increased about 100～200HV by the ways K ey w ords :nitriding in -;cooling method

1　引言

, 一直受到广泛研究。其中主要侧重于工艺方法对渗层硬度、组织的考察及对性能的影响。而从盐浴渗氮处理内在本质方面的研究不多, 绝大多数均是以气体渗氮过程的原理或理论为依据进行研究, 缺少对盐浴渗氮技术的可靠性指导。对盐浴渗氮中盐浴有效成分、冷却方式和钒与氮等的共渗作用和对渗层的影响研究更[1～4]少。本文对盐浴渗氮工艺参数和渗层硬度的关系进行了初步研究, 并根据Fe 2N 相图、Fe 2N 2C 相图[5,6]对渗层的相组成、成分及试验结果进行了分析。

以保证处理质量的稳定可靠, 许多厂家仅凭经验或渗层硬度、厚度的测量调整熔盐成分, 而不对熔盐进行严格的化学分析, 因此需对熔盐中CNO -浓度对渗层厚度和硬度的影响进行研究, 研究结果如表1所示。

结果显示, 尽管熔盐中CNO -浓度波动很大(±5%) , 但化合物层深和硬度的波动一般在10%左右, 只是当CNO -浓度达到40%左右后, 由于熔盐中活性太强, 使得表面层过于疏松, 表面硬度下降, 但当磨去疏松层后, 表面硬度可升高约

100HV , 这类工艺较适合条件较差的企业使用。

表1　不同CN O -浓度570℃×2h 渗氮

处理水冷后的渗层厚度和硬度

-浓度(%)

化合物层厚度/μm

[***********]

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[***********]

2　试验条件

试验材料用10钢和45钢, 盐浴渗氮介质以尿素、碱金属碳酸盐混配熔盐为基盐, 钒和氮的共渗源为V 2O 5, 并加入痕量硫化物。处理温度570℃, 处理时间2～4h 。热处理设备为外热式坩埚盐浴炉。渗层的显微组织观察和硬度测试采用光学金相显微镜和岛津型显微硬度计, 相分析采用X 射线衍射仪。

10钢45钢

显微硬度/HV011化合物层厚度/μm 显微硬度/HV011

312　熔盐中添加钒对硬度的影响

基于硫氮碳共渗盐浴加入供钒剂(V 2O 5) 后实现在570℃左右钒氮硫共渗, 共渗层因钒的渗入形成了弥散的碳氮化钒颗粒和含钒ε相, 提高了共渗层硬度, 其试验结果如图1所示。结果显示, 钒氮硫共渗层的硬度比硫氮碳共渗层的提高了100～200HV 左右, 同时保留了硫氮碳共渗层的软质层, 在提高渗层耐磨性的前提下, 有利于其减磨性的发挥。

3　试验结果

311　盐浴有效成分(CN O -) 的影响

盐浴渗氮处理中, 用熔盐渗氮能力(即熔盐活性) 高低的主要标志是熔盐中的氰酸根浓度(CNO -) , 因而渗氮处理过程中针对不同用途的产品一般规定有CNO 2的有效百分含量,

) , 男, 湖北人, 高级工程师, 博士生。从作者简介:韦习成(1964110—

事表面耐磨处理技术的开发与应用研究。研究方向是汽车材料的强韧化。发表论文30多篇, 并参与了《表面工程手册》的编写工作。联系电话:[1**********]2收稿日期:2000206226

313　冷却方式对渗层硬度的影响

尽管盐浴渗氮处理温度大多在590℃以下, 共渗过程中基体没有相变, 但由于C 、N 等溶质原子的溶入, 使得材料表层的成分、组织等发生一定形式的变化,

因而影响共渗处理后不同冷却方式的渗层硬度, 结果如图2所示, 冷却方式对渗氮

16《金属热处理》2000年第12期

层硬度有比较大的影响, 水冷渗层的硬度比空冷渗层的硬度高100HV

。

图1　共渗层硬度沿渗层深度的分布[2]

1. VNS 共渗　2. SNC

共渗

ε+V (NC ) x , 其中ε钒的渗入, 改变了渗层中相的组成, 由ε→

相中部分Fe 原子亦由V 原子置换, 增加了ε相的畸变度。正是由于ε相的畸变度增加和V (NC ) x 的存在, 表现在渗层硬度上的变化是钒氮硫共渗比硫氮碳共渗的渗层硬度提高了100～200HV , 因此其综合耐磨性能优于硫氮碳共渗处理层[2]。

众所周知, 氮是扩大γ相区的间隙式元素, 在盐浴渗氮处理中氮的渗入使得钢铁表层的组成成分不同于基体。随着氮、碳原子的渗入, 当渗入量达到一定百分含量时, 处理材料表层的Fe 2C 相图极有可能不同于基体, 使其共析转变温度线下移到低于570℃, 固溶氮原子的部分处于共析转变温度线以上, 同时从Fe 2N 2C 三元相图[6]可见, 对本试验用钢而言, 渗

γαα, 氮层的相组成由表及里依次为ε′→′+γ→′→N +γ

当渗后水冷或油冷时, α′相, 抑制固溶于α(含2Fe , 。由于α′

[6]

α中氮的过饱和固溶, 使, 而且快冷处理在表层产生, 也对硬度有利, 这和图2的试验结果是一致, 根据最新研究普遍认为渗氮层的高硬度是由于以下原因造成的:①表面ε(Fe 223N )

γ(Fe 4N ) 相, 特别是合金氮化物γ相的作用; ②′′相, 尤其是含

铝的细小的γ′相的弥散析出, 硬度升高; ③扩散层中为过饱和的α固溶体, 冷却至室温以后会部分分解析出, 并形成微粒的凝聚或部分凝聚, 但它们仍与基体保持共格关系, 即形成GP 区, GP 区的形成有力地强化了固溶体, 硬度升高, 渗氮后快冷, 会形成过饱和固溶体, 这种过饱和固溶体中的氮在以后回火或时效时会析出, 形成针状的析出物(Fe 4N ) 。但本试验中, 我们认为水冷处理后硬度的提高应是前二项因素以及在材料表层发生淬火相变共同作用的结果。

图2　冷却方式对渗层硬度的影响

4　分析与讨论

盐浴渗氮处理中, C ,

γγ、αα等的硬度决′、′、

定。生影响, 进而影响其硬度和性能。

对本研究中盐浴的有效成分CNO -浓度的变化, 在保证处理材料表面氮源浓度基本不变的前提下, 一般而言对组织及其硬度没有影响。因为根据Fe 2N 相图[5]和Fe 2N 2C 相图[6], 材料的碳含量一定时, 渗层各组成相的氮浓度均有一定浓度范围, 对相的结构不会产生大的影响, 基本上不影响各相的硬度。大量的试验已经证实[1,7,9～11], 无论是普通的盐浴渗氮、还是盐浴硫氮碳共渗, 渗层的组成相和结构都没有变化, 只是点阵发生一定畸变(点阵常数的变化在410%左右) , 其化合物层主要为Fe 223N 型的ε相, 其氮浓度范围很宽(4155%～1110%, 质量分数) , 因而一定范围的氮浓度变化, 对渗层性能没有大的影响。如表1所示, 尽管CNO -浓度从38%下降到28%, 其硬度的变化仍在测量误差容许的范围, 而且厚度的变化也很小。但当熔盐活性过高, 即CNO -大量分解释放出[N ]原子, 同时伴随[S]、[C ]、[O ]原子的协同作用, 使得渗层表面过度疏松, 如在渗层中已检出有[O ]、[S]原子随渗层一定深度的分布[8,11], 而氧和硫原子在处理温度下均极易和铁等原子形成化合物或气态分子驻留于渗层中使得其致密度下降, 它们应该是渗层疏松的主要原因。由于渗层致密度降低, 硬度下降, 因此渗氮层的孔洞过多, 对大多数处理件而言, 它对性能是有害的。但对要求减摩、抗擦伤而对耐磨性要求不高的产品建议采用高的CNO -, 是因为多孔、疏松组织具有储油功能, 起到长效润滑效果[8]。因此, 对盐浴渗氮而言, 应优选处理参数, 尽量减少渗层的疏松多孔; 对硫氮碳共渗而言, 应根据处理件的实际要求, 严格控制盐浴中硫的含量和盐浴活性。

以硫氮碳共渗为基发展的钒氮硫共渗处理工艺[2], 由于

5　结论

(1) 盐浴渗氮熔盐中的CNO -浓度对渗氮层的硬度和厚

度影响不大, 但应根据具体要求, 适当控制CNO -浓度的变化;

(2) 渗氮后的冷却方式对渗层硬度有较大影响, 渗后水冷可使渗层硬度提高约100HV 左右;

(3) 金属原子钒伴随氮的渗入, 有利于提高渗层硬度。参考文献:

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