论文部分内容阅读
渗氮、渗碳和氮碳共渗是指向工件表面渗入活性氮、碳原子,从而使工件表面性能（如硬度、耐磨性、耐蚀性等）提高的化学热处理工艺。传统的渗氮工艺获得的表层具有致密性差、韧性差、硬度低、厚度薄等缺点。针对这些缺点,本文通过调节氮碳共渗过程中NH3和CO流量,然后对渗氮及其后续热处理工艺进行探索,提出循环渗氮渗碳复合工艺,着重研究了循环渗氮渗碳复合工艺（NCNC工艺）。采用金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜以及一系列性能测试仪器,探究了低碳钢气体渗氮/氮碳共渗层及渗氮渗碳循环热处理后强化层的微观组织结构和性能。主要得到以下结论:（1）气体渗氮气氛中少量CO的加入会显著促进化合物层的生长和表层ε相的快速生成,过多的CO加入会使化合物层中形成θ相,且随着NH3流量的增加,化合物层得到θ相的临界CO流量值也相应增加。气体氮碳共渗气氛中,在NH3流量不变时,随着CO流量的增加,化合物层致密性、韧性逐渐增加,但化合物层厚度却先增大后减小。在CO流量不变时,随着NH3流量的增加,化合物层孔洞增多。随着NH3流量增加,获得最大化合物层厚度的CO流量也要相应增加,因此可适当增加CO和NH3流量来获得较厚且致密的共渗层,从而使试样具有较高的硬度、优良的耐磨性、较优的韧性。共渗化合物层的耐腐蚀性能主要由化合物层中的N含量和致密性来决定,而C含量的变化对腐蚀性能影响较小。（2）提出了循环渗氮渗碳复合工艺制度,获得力学性能更为优异的强化层,强化层表层由ε-Fe2-3（C,N）和θ-Fe3C化合物组成,次表层由γ-Fe相和α-Fe相组成。对比不同工艺下渗层微观组织和性能,确定了NCNC工艺中CO流量为50sccm时渗层具有最优的微观组织和性能,此时渗层均匀致密,且渗层厚度高达90μm,最高硬度高达900HV0.05。NCNC试样、氮碳共渗加后续淬火试样以及奥氏体氮碳共渗试样次表层都是γ相和α相。氮碳共渗4h加后续淬火试样以及奥氏体氮碳共渗试样强化层较厚但表层出现大量的孔洞裂纹,氮碳共渗1h加后续淬火试样强化层孔洞较少但厚度只有35μm。综合来看,NCNC工艺下强化层不仅厚而致密,而且具有优良的耐蚀性、较高的耐磨性、较高的表面硬度及较优的韧性。（3）冷却速度和回火处理对NCNC制备的强化层有很大的影响。随着冷却速度的减慢,NCNC工艺试样次表层α相逐渐增加;当NCNC试样随炉冷时,次表层出现γ′相。NCNC油冷试样经过在180-300℃回火后,强化层表层没有发生相转变,次表层发生了含氮淬火马氏体和残余奥氏体向回火马氏体和贝氏体转变。随着回火温度的升高,次表层片条状组织逐渐细密,且片条尺寸逐渐变小。心部扩散层中部分晶界区域奥氏体在回火过程中也发生了类似贝氏体的转变。