鋼件氮碳共滲+后氧化處理表面耐磨性研究

孔令飛，岳佳宏，孟璇，楊陽

山西航天清華裝備有限責任公司 山西長治 046012

1 序言

氮碳共滲+后氧化復合處理技術（FD-NCO）可以在結構鋼制造的機械零部件表面形成十余微米厚的化合物層（ε相，又稱白亮層）和1～2μm厚的Fe3O4膜，使機械零部件表面同時具有優良的耐磨性和耐蝕性[1]。其滲氮層金相組織由擴散層、化合物層（白亮層）、氧化物層組成，如圖1所示，化合物層的硬度比結構鋼基體高幾倍，因此處理后顯著提高了結構鋼表面的抗磨損性能[2]。

圖1 滲氮層金相組織

本文對氮碳共滲+后氧化處理的試件進行摩擦磨損試驗，為判斷摩擦運動工況下服役的工件是否適合于采用氮碳共滲+后氧化工藝提供參考依據。

2 試件及試驗方法

為增強對比效果，直觀地說明氮碳共滲+后氧化滲氮層的耐磨性，以30CrMnSiA作為結構鋼代表，以PH13-8Mo作為不銹鋼代表，進行氣體氮碳共滲+后氧化處理后，與淬火、鍍鉻、調質等傳統強化工藝進行對比，設計摩擦磨損試件見表1，處于裝夾狀態的試件如圖2所示，摩擦磨損試驗后的試件如圖3所示，摩擦磨損試驗條件見表2。摩擦磨損試驗機如圖4所示，白光共交三維形貌儀如圖5所示。

圖2 試件（處于裝夾狀態）

圖3 摩擦磨損試驗后的試件

圖4 Rtec往復摩擦磨損試驗機

圖5 白光共交三維形貌儀

表1 氮碳共滲+后氧化滲氮層耐磨性試件

表2 滲氮層摩擦磨損試驗條件

3 試驗結果及分析

3.1 摩擦系數

不同狀態（見表1）的30CrMnSiA試件經摩擦磨損試驗后，表面摩擦系數試驗結果見表3。工藝溫度為580℃的氮碳共滲+后氧化試件和淬火試件的表面摩擦系數如圖6、圖7所示。

不同狀態（見表1）的PH13-8Mo試件經摩擦磨損試驗后，表面摩擦系數試驗結果見表4。工藝溫度為560℃的氮碳共滲+后氧化試件和氮碳共滲試件的表面摩擦系數如圖8、圖9所示。

由以上試驗結果可知，鋼件經氮碳共滲+后氧化處理后，表面摩擦系數無明顯變化。

3.2 30CrMnSiA試件磨痕深度

（1）試驗結果 不同狀態（見表1）的30CrMnSiA試件經摩擦磨損試驗后，表面摩擦系數試驗結果見表5，其中，工藝溫度為560℃的氮碳共滲+后氧化試件與淬火、鍍鉻、調質試件的磨痕深度三維形貌對比如圖10所示。

表3 不同狀態的30CrMnSiA試件的表面摩擦系數

圖6 30CrMnSiA氮碳共滲+后氧化（580℃）試件表面摩擦系數

圖7 30CrMnSiA淬火試件表面摩擦系數

圖8 PH13-8Mo氮碳共滲+后氧化（560℃）試件表面摩擦系數

圖9 PH13-8Mo氮碳共滲試件表面摩擦系數

表4 不同狀態PH13-8Mo試件的摩擦系數

（2）試驗結果分析 具體分析如下。

1）由表5和圖10可知，30CrMnSiA鋼經氮碳共滲+后氧化處理后，由于滲氮層硬度高，故磨痕深度很淺，低于淬火、鍍鉻、調質等其他工藝一個數量級，證明其滲氮層耐磨性優異，不僅遠高于基體，也遠高于淬火、鍍鉻等常規表面強化工藝。

2）試驗過程中，初始選擇的摩擦配合副為高硬度鋼球（＞60HRC），試驗僅持續數分鐘，該配合副即已磨損，之后更換Si3N4陶瓷球作為摩擦配合副，試驗才得以繼續，從側面也證明了氮碳共滲+后氧化滲氮層耐磨性的優異。

3）試驗過程中，摩擦部位顏色在1min內由灰黑色變為銀色，說明復合滲氮層中的氧化層不具備耐磨性，耐磨性主要由化合物層（白亮層）提供。

4）隨著氮碳共滲+后氧化處理工藝溫度的提高，耐磨性略有降低，應與其疏松等級的提高有關。

3.3 PH13-8Mo試件磨痕深度

（1）試驗結果 不同狀態（見表1）的PH13-8Mo試件經摩擦磨損試驗后，表面摩擦系數試驗結果見表6，其中，工藝溫度為560℃的氮碳共滲+后氧化試件與工藝過程中添加活化劑的活化試件、原始狀態的時效試件的磨痕深度三維形貌對比如圖11所示。

（2）試驗結果分析 具體分析如下。

1）不銹鋼氮碳共滲+后氧化滲氮層硬度極高，可達1000HV以上，耐磨性也應較好，但由于不銹鋼氮碳共滲+后氧化處理效果不理想，滲氮層中化合物層（白亮層）不明顯、不連續甚至無化合物層（白亮層，見圖12），導致實際耐磨性不理想，反而大大低于結構鋼氮碳共滲+后氧化試件（600HV以上），且穩定性差。

2）不銹鋼氮碳共滲+后氧化效果不理想的原因為不銹鋼中含有大量合金元素，如Cr、Ni、W等，這些元素與空氣中的氧接觸，在工件表面形成一層極薄且致密的氧化膜，即鈍化膜。這層鈍化膜在滲氮時不易破壞，從而阻礙著氮原子的滲入[3]。

表5 不同狀態的30CrMnSiA試件表面的磨痕深度

圖10 30CrMnSiA氮碳共滲+后氧化試件與淬火、鍍鉻、調質試件的磨痕深度三維形貌

表6 不同狀態的PH13-8Mo試件表面的磨痕深度

圖11 PH13-8Mo氮碳共滲+后氧化試件與活化、時效試件的磨痕深度三維形貌

圖12 PH13-8Mo氮碳共滲+后氧化滲氮層金相組織

3）由圖11中560℃試件與活化試件的的磨痕深度三維形貌對比可知，不銹鋼氮碳共滲+后氧化處理過程中添加活化劑可部分改善其耐磨性，但效果仍不理想。

4 結束語

1）結構鋼經氮碳共滲+后氧化處理后，摩擦系數無明顯變化。

2）結構鋼經氮碳共滲+后氧化處理后，耐磨性遠高于淬火、鍍鉻等常規表面強化工藝。

3）氮碳共滲+后氧化滲氮層耐磨性主要由化合物層（白亮層）提供，氧化層則不具備耐磨性。

4）不銹鋼氮碳共滲+后氧化效果不理想，導致其實際耐磨性不理想。