55鋼的離子滲氮

黃嘉豪 史 文,2

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444； 2.省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444)

55鋼是一種優質碳素結構鋼，常用于強度和耐磨性要求較高、沖擊負荷不大的零件，如齒輪、曲軸等。碳素結構鋼零件通常硬度較低且耐蝕性差，使用中易失效[1- 2]。對碳鋼件進行表面處理，如激光淬火、碳氮共滲[3]、離子滲氮等，可明顯提高其表面性能。離子滲氮是21世紀的“綠色滲氮工藝”，具有節能環保、處理溫度范圍寬、工件畸變小、滲氮速度快等優點[4- 5]。離子滲氮形成的化合物層可顯著提高鋼的表面硬度、耐磨性、耐蝕性以及抗疲勞性能[6- 8]，離子滲氮溫度是影響滲層性能的重要因素。為揭示離子滲氮溫度對55鋼滲層的影響，本文對55號鋼進行了不同溫度的離子滲氮，分析了滲氮層的微觀組織和性能。

1 試驗材料及方法

試驗用55鋼的化學成分如表1所示。試樣尺寸為10 mm×10 mm×3.5 mm，用干磨砂紙將滲氮面打磨光滑，滲氮前用酒精清洗。

表1 試驗用55鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the investigated 55 steel (mass fraction) %

離子滲氮設備是武漢熱處理研究所設計的LDMC- 75F型脈沖電源輝光離子滲氮爐，以氨氣為氮源，流量為600 ml/min，離子滲氮電壓為800～830 V。滲氮操作流程如下：試樣用酒精清洗后置于爐內，抽真空至30 Pa左右，然后升高壓并通100%氨氣；離子滲氮溫度分別為470、500、530和550 ℃，滲氮時間均為8 h，爐冷至室溫。

試驗儀器：(1)Nikon LV150型倒立式光學顯微鏡，HITACHI SU- 1500鎢燈絲掃描電子顯微鏡；(2)MH- 3型顯微硬度計(在同一深度測量3點取平均值)；(3)18KWD/MAX2500V+/PC型 X射線衍射儀。

2 試驗結果與分析

2.1 滲層相組成

55鋼為碳鋼，滲氮過程中無其他合金氮化物形成，其氮的擴散方式與純鐵類似。隨著氮原子向鋼內擴散，在滲層中形成γ′(Fe4N)和ε(Fe3N)的反應式為：

(1)

(2)

反應能否進行，可以根據滲氮時爐內氣氛的氮勢來判斷。根據NH3與Fe4N平衡的條件，可得不同溫度下形成γ′相的臨界氮勢值[9- 10]:

(3)

以及不同溫度下形成ε相的臨界氮勢值:

(4)

由上述反應式可知，在鋼的滲氮過程中，當滲氮爐內的溫度和氮勢達到一定值時，可以形成γ′相和ε相。將試驗溫度代入式中計算可得在470 ℃時形成γ′相和ε相的氮勢值分別為0.29%N和3.16%N。因此在本文試驗條件下，470 ℃滲氮已經有γ′相和ε相形成。同理計算其余3個溫度下的氮勢值，可以推斷出在4種離子滲氮溫度下都能形成γ′相和ε相。這也與XRD的結果(圖1)相吻合，在XRD圖譜中可以看到，滲層表面的主要組成相為γ′相和ε相，還檢測到少量的α- Fe。

圖1 在不同溫度離子滲氮的55鋼滲層的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the case of the 55 steel ion- nitrided at different temperatures

2.2 滲氮溫度對滲層深度的影響

不同溫度離子滲氮的55鋼滲層的深度列于表2，滲層的顯微組織和SEM形貌如圖2所示。這些結果表明，滲氮后鋼的表面形成了化合物層，滲層深度隨著滲氮溫度的升高而增加。滲層深度隨離子滲氮溫度的變化如圖3所示。

由于離子滲氮過程主要受氮原子擴散速度控制[11]， 因此滲層深度X與滲氮時間t呈拋物線關系：X2=Kt(K為常數)。擴散屬于熱激活的過程，因此滲層深度與離子滲氮溫度T和時間t滿足阿侖尼烏斯方程：

表2 55鋼不同溫度離子滲氮后的滲層深度Table 2 Case depths of the 55 steel ion- nitrided at different temperatures

圖2 在不同溫度離子滲氮的55鋼滲層的光學顯微鏡和掃描電鏡形貌Fig.2 OM and SEM images of case of the 55 steel ion- nitrided at different temperatures

X2=K0·e-Q/RT·t

(5)

式中：K0為頻率因子，Q為擴散激活能，R為氣體常數。式(5)兩邊取對數得：

圖3 55鋼滲層深度隨離子滲氮溫度的變化Fig.3 Dependence of the case depth on ion- nitriding temperature for 55 steel

(6)

根據離子滲氮溫與滲層深度之間的關系，作出lnX-1/T曲線并進行擬合，得到圖4以及線性回歸方程：

(7)

圖4 55鋼滲層深度的對數與離子滲氮溫度倒數之間的關系Fig.4 Relationship between the logarithm of case depth and the reciprocal of ion- nitriding temperature for 55 steel

在滲氮時間一定的情況下，結合式(6)和式(7)可以計算出Q=78.4 kJ/mol，K0=9.7×105。將兩者代入式(5)可得55鋼滲層深度與離子滲氮溫度之間的關系為：

X2=9.7×105·e-78 400/RT·t

(8)

當滲氮時間確定時，由式(8)可知，55鋼滲層的深度會隨著離子滲氮溫度的升高而增加。

2.3 滲氮溫度對滲層硬度的影響

表3為55鋼不同溫度離子滲氮后的表面硬度，圖5為滲層的硬度梯度。在470～530 ℃溫度范圍，滲層的表面硬度隨著離子滲氮溫度的升高而提高。滲層硬度主要取決于滲層中形成的ε相(Fe3N)和γ′相(Fe4N)。Fe3N的硬度為11.2 GPa，Fe4N的硬度為8.6 GPa[12]。換算成維氏硬度：Fe3N為1 142 HV，Fe4N 為876.96 HV。XRD圖譜表明滲層中大部分為Fe4N。通過XRD定量分析[13- 15]可以計算出3種相的含量，見表4和圖6。

表3 55鋼不同溫度離子滲氮后的表面硬度Table 3 Surface hardness of the 55 steel ion- nitrided at different temperatures

表4 不同溫度離子滲氮的55鋼滲層中γ′、ε, α- Fe相的含量(質量分數)Table 4 Contents of γ′, ε, and α- Fe phases in case of the 55 steel ion- nitrided at different temperatures (mass faction) %

圖5 不同溫度離子滲氮的55鋼滲層的硬度梯度Fig.5 Hardness gradient in case of the 55 steel ion- nitrided at different temperatures

滲層的XRD圖譜和顯微組織表明，470 ℃離子滲氮的55鋼滲層中α- Fe峰的強度較高。其主要原因是，滲氮溫度低時，滲層淺且不均勻， XRD掃描能達到滲層下的α- Fe，衍射峰不能完全代表滲層相的衍射峰分布，因此計算得到的470 ℃離子滲氮的滲層相含量與實際含量有較大差異。在500 ℃形成的滲層較深，隨著滲氮溫度的升高，滲層的硬度逐漸升高，根據式(4)，隨著離子滲氮溫度的升高，達到形成ε相的臨界氮勢的時間也越短(530 ℃下形成ε相的臨界氮勢為1.6%N)，因此ε相的含量增多。ε相的硬度高于γ′相，隨著離子滲氮溫度的升高，ε相的含量增多，表面硬度相應提高。

圖6 55鋼滲層中γ′、ε、α- Fe相的含量隨著離子滲氮溫度的變化Fig.6 Contents of γ′, ε, and α- Fe phases in case of the 55 steel as a function of ion- nitriding temperature

當離子滲氮溫度升高到550 ℃時，滲層的表面硬度明顯下降。其原因是，隨著滲氮溫度的升高，吸附在試樣表面的活性氮原子擴散加快，氮化物粗化，并產生表面疏松。從SEM圖可以看到，在550 ℃滲氮的滲層表面不致密，有明顯的疏松(圖7)，導致滲層的硬度下降。

圖7 550 ℃離子滲氮的55鋼疏松的滲層Fig.7 Loose case of the 55 steel ion- nitrided at 550 ℃

3 結論

(1)55鋼在470～550 ℃離子滲氮后，滲層組織主要為γ′相、ε相和少量的α- Fe相。

(2)55鋼滲層深度與離子滲氮溫度之間的關系可以用公式X2=9.7×105·e-78 400/RT·t表達，滲氮時間一定，滲層深度隨著離子滲氮溫度的升高而增加。

(3)55鋼在470～530 ℃離子滲氮，隨著溫度的升高，滲層中ε相的含量逐漸增多，γ′相和α- Fe相的含量減少，滲層表面硬度上升。當離子滲氮溫度達到550 ℃時，滲層表面出現疏松，導致硬度降低。