【摘 要】
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离子渗氮是一种清洁高效的表面改性技术,能够显著提高表层硬度、改善耐磨性。常规离子渗氮处理后,渗氮层特性随离子渗氮工艺的改变通常具有这样的变化规律:随渗氮层增厚,化合物层、扩散层及有效硬化层都增厚,同时伴随表层硬度提高。遗憾的是:化合物层增厚将导致渗层脆性增大,对于承受冲击和重载磨损的零部件,如热冲压模、热锻模及重载齿轮等,常规离子渗氮处理常常存在渗层特性与服役要求冲突的难题,即随渗氮层增厚,表层硬
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离子渗氮是一种清洁高效的表面改性技术,能够显著提高表层硬度、改善耐磨性。常规离子渗氮处理后,渗氮层特性随离子渗氮工艺的改变通常具有这样的变化规律:随渗氮层增厚,化合物层、扩散层及有效硬化层都增厚,同时伴随表层硬度提高。遗憾的是:化合物层增厚将导致渗层脆性增大,对于承受冲击和重载磨损的零部件,如热冲压模、热锻模及重载齿轮等,常规离子渗氮处理常常存在渗层特性与服役要求冲突的难题,即随渗氮层增厚,表层硬度提高,但化合物层也会增厚,带来渗层脆性增大,服役过程中易出现局部开裂和脱落现象,导致零部件早期失效;而少无化合物层的渗氮层又存在因渗层较薄,高硬度渗层容易被磨损掉,从而难以满足长服役寿命的要求。因此,研发能在降低化合物层厚度的前提下,显著提高有效硬化层厚度及表层硬度的创新离子渗氮技术,具有显著的科学研究和应用价值。基于此,本研究选用调质态45钢、42CrMo钢和38CrMoAl钢为实验材料,分别进行了常规离子渗氮、钛辅助增强离子渗氮以及离子渗氮+后氧化处理。研究分析了钛添加量对42CrMo钢钛辅助增强离子渗氮处理后渗层特性的影响;对比分析不同材料钛辅助增强离子渗氮处理后渗层物相和性能的影响,验证了添加微量钛离子渗氮处理对不同材料具有普适性;研究分析了后氧化对钛辅助增强离子渗氮复合处理对渗层特性的影响。42CrMo钢钛增强离子渗氮研究表明,在540℃/4 h工艺条件下,添加微量钛可使离子渗氮有效硬化层厚度显著增加,化合物层厚度明显降低。当钛的添加量为0.8 g时,有效硬化层厚度由常规离子渗氮的255μm增加到360μm,即渗氮效率提高近50%;有效硬化层厚度提高的情况下,化合物层厚度反而减薄,由常规离子渗氮的16.1μm降低到8.8μm,即化合物层厚度降低了约50%;渗层中化合物层与有效硬化层之比值由常规离子渗氮的8.5%降低到2.6%。同时钛辅助增强离子渗氮渗层中形成了高硬度强化相Ti N,使渗层表面硬度由703 HV0.05提高至894 HV0.05。经添加微量钛处理后,试样的耐磨性和耐冲击性也都得到提高。同时在不同温度下进行了钛辅助增强离子渗氮,研究发现不同温度钛增强离子渗氮同样能达到降低化合物层厚度、提高有效硬化层厚度、提高表面及截面硬度的效果。45钢、42CrMo钢和38CrMoAl钢三种材料钛辅助增强离子渗氮研究表明,钛辅助增强离子渗氮对不同材料都产生相同效果,即都降低化合物层厚度、提高有效硬化层厚度、提高表面及截面硬度。在相同离子渗氮工艺参数（540℃/4 h）下,分别对45钢、42CrMo钢和38CrMoAl钢,进行添加微量钛离子渗氮处理,发现有效硬化层度厚度分别由常规离子渗氮处理的100μm、255μm、240μm提高至121μm、360μm、388μm;表面硬度分别由常规离子渗氮处理的470 HV0.05、703 HV0.05、1027 HV0.05提高至525 HV0.05、889 HV0.05、1137 HV0.05。化合物厚度分别由常规离子渗氮处理的19.9μm、16.1μm、10.6μm降低至12.1μm、8.8μm、6.0μm。离子渗氮+后氧化复合处理研究表明,当后氧化温度为400℃、后氧化时间为60 min时,试样的耐蚀性最佳,其腐蚀电流最小,为0.2429×10-5A/cm2;腐蚀电位达到最大,为-386.13 m V;同时,表层硬度提高到630HV0.05。对比添加微量钛离子渗氮+后氧化处理,在相同后氧化工艺参数（400℃/60 min）下,相比常规离子渗氮+后氧化处理,耐蚀性得到进一步提高,腐蚀电流由常规处理的0.2429×10-5 A/cm2降低到0.12755×10-5A/cm2,腐蚀电位由常规处理的-386.13 mv增大到-325.40 mv。表面硬度和有效硬化层厚度分别由645 HV0.05和175μm提高至713 HV0.05和230μm,化合物层厚度由7.2μm降低至3.7μm。
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