鈦催化滲氮工藝提高工(模)具鋼性能的研究

包 耳，陳世杰

(1.大連民族學院機電與信息工程學院，遼寧大連116605;2.大連億達日平機床有限公司，遼寧大連116023)

滲氮(氮化)工藝可以有效提高工(模)具的耐磨性和耐腐蝕性而被廣泛使用，同時氮化還可提高抗熱疲勞性和抗粘附性能［1-2］。但普通滲氮工藝的最大缺點是滲層薄，而且工藝時間長、生產效率低。

為改變普通滲氮時間長、硬度不均等缺點，人們曾對氮化時加入電解鈦而使滲氮速度加快和滲層加深的新工藝(當時被稱為鍍鈦氮化工藝)進行了廣泛的研究，并試用于一些產品［3-4］。但由于該工藝過程非常復雜，一直以來并未得到實際應用。但是在工(模)具的制造工藝中，如何利用氮化技術提高其性能的同時又提高生產效率的研究一直沒有間斷過［5-6］。本文正是在這一方面進行了研究，并得到較好的結果。

1 對比研究

本文作者與某專業熱處理廠在鹽浴氮化時鈦的催滲機理和催滲作用方面進行了較為廣泛的合作研究，做了大量實驗，取得有益結果。

1.1 普通滲氮和鈦催化滲氮滲層及表面硬度對比

分別選用合金滲碳鋼38CrMoAl、球墨鑄鐵QT500-7、和碳素鋼20，進行了普通滲氮和鈦催化滲氮在滲層厚度及表面硬度方面的對比試驗，其結果見表1。

表1 普通滲氮和鈦催化滲氮的滲層厚度及表面硬度對比

1.2 鈦催化滲氮鉆頭與普通鉆頭的使用壽命對比

對市場購入以及一些合作企業提供的多種不同規格的普通高速鋼鉆頭，進行了鈦催化滲氮前后使用壽命的對比實驗，其結果見表2。

表2 鈦催化滲氮鉆頭與普通鉆頭的使用壽命對比

2 顯微組織研究

45鋼試樣鈦催化滲氮后的光學金相組織如圖1。電子探針N、C、Fe成分線如圖2。電子探針成分面如圖3。

圖1 光學金相組織

圖2 電子探針N、C、Fe成分線

圖3 電子探針成分面

3 實驗結果分析

(1)由表1可見，對于同一鋼種，當滲氮溫度和滲氮時間相同時，普通氣體滲氮比鈦催化滲氮的滲層深度低;當滲氮溫度，滲層深度接近時，普通氣體滲氮遠比鈦催化滲氮的滲氮時間長。由此說明，Ti具有明顯的催化滲入作用，可提高滲氮速度，增加滲層深度，減少滲氮時間。

表1還顯示，鈦催化滲氮對于不同類型的鋼種都具有類似的效果。

表1還顯示，當普通氣體滲氮和鈦催化滲氮所獲得的滲層深度接近時，用時較短的鈦催化滲氮層的硬度略低，這主要是在滲氮過程中含有碳氮共滲的作用。時間較短時，碳的滲入量較少，故硬度略低。

(2)由表2可見，經鈦催化滲氮的鉆頭具有良好的抗疲勞強度、耐沖擊、耐熱性和耐腐蝕性能，并且鉆頭的使用壽命明顯比采用其他方法熱處理鉆頭的使用壽命長，最高可達20倍。

4 顯微組織分析

(1)由圖1可見，該金相照片中有約100μm厚度的滲層組織，特征明顯。

(2)由圖2可見，在表層處，N和C的含量都明顯增加，而鐵Fe含量有所減少。

(3)在圖3中，圖(image4)顯示的是滲層表面到心部的N元素分布，可以看到N的含量由心部到表面逐漸增加，在表層深度約50μm的范圍內達到很高濃度，繼而是約80μm的過渡層;圖(image 2)顯示的是滲層表面到心部的C元素分布，可以看到C的濃度同樣也是從心部到表面逐漸增加，這表明在滲氮的同時，還可達到N-C共滲的效果;圖(image3)顯示的是滲層表面到心部的Fe元素分布情況，可看到Fe的濃度在表面有所減少，這是由于N、C的滲入相對減少了Fe的含量。也表明在表面處有 Fe以外的元素滲入;圖(image6)顯示的是滲層表面到心部的Ti元素分布情況，可以看到這里是均勻的背底色，而沒有Ti元素的顯示，這說明在鈦誘導下的液態滲氮中，鈦只起到催滲作用，而不滲入零件表面。

5 結論

實驗結果表明，N、C在試件中的表層較心部具有較高的濃度。說明在鈦誘導下，對液體滲氮具有明顯的催滲作用。

從實際生產和金相、電子探針實驗的檢測發現，鈦催化滲氮方法能夠提高滲速，增加滲層深度和表面硬度，并且比普通滲氮方法更加節能、環保、高效。

鈦催化滲氮唯一的缺點是，鈦是活潑金屬而不穩定，不易控制和測定，故實際生產中的控制過程比較復雜。

［1］姚艷書，唐殿福.工具鋼及熱處理［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，2009.

［2］唐殿福.鋼的化學熱處理［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，2009.

［3］合肥模具廠，合肥工大.鍍鈦氮化—蒸發銹催化鹽浴氮化［J］.模具通訊，1975(2):202-205.

［4］柳州拖拉機廠.加鈦氮化處理［J］.金屬熱處理，1977(1):55-58.

［5］包耳，田紹潔.真空熱處理［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，2009.

［6］李慧友.QPQ鹽浴復合處理技術［M］.北京:機械工業出版社，1997.