Sdc99鋼的離子氮碳共滲化合物層相調(diào)控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋼鐵材料表面處理方法，特別是涉及一種鋼鐵工件的表面氮化處 理工藝，應(yīng)用于材料熱處理和表面工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 氮化處理是目前比較常用的表面處理方法，鋼鐵零件在進(jìn)行氮化處理時(shí)在其表層 所形成的一層鐵的氮化物，這層組織叫化合物層，由于其相對擴(kuò)散層在金相觀測中呈現(xiàn)白 色，故又稱為白亮層。白亮層由表及里分別為e_Fe 23N相、e+y'相、y' 46"相。由 于不同工況對鋼滲氮后表面白亮層有不同的要求，因此需通過各種不同的工藝方法對白亮 層的相成分進(jìn)行調(diào)控，以期獲得化合物層中以Fe 4N相為主。
[0003]目前，文獻(xiàn)報(bào)道中對滲氮后化合物層進(jìn)行相調(diào)控主要有直接控制滲氮溫度以及氣 源中的氮?jiǎng)輥慝@得所需要的表層相組成（毛喆，李繼良.用真空技術(shù)改善氮化性能[J]. 熱加工工藝，2010, 39 (6): 141-142.謝飛，袁軍偉，馬寶鈾等? W18Cr4V高速鋼離子滲氮 層相結(jié)構(gòu)與脆性研究[J].理化檢驗(yàn)，1997, 33 (12) : 3-6.)和先滲氮再退氮法（章子元， 張桂芳.38CrMoAlA鋼滲氮白層的還原處理[J].金屬熱處理，1992, 17(11): 44-47.)，前 者沒有對滲層化合物層的相組成進(jìn)行調(diào)控，后者用氫離子對滲氮后試樣進(jìn)行轟擊，能夠轟 擊掉"白亮層"，但氫氣使用危險(xiǎn)性較大，轟擊結(jié)果不易控制，而且轟擊會把脆性小的相 一起去除。
[0004] 中國專利CN85107162采用分段式滲氮和氣氛調(diào)控，得到的表面相成分為單相化 合物Y'或無化合物的純擴(kuò)散層，但是其滲氮時(shí)間太長，工藝過程不易控制。中國專利 CN91106880. 5和專利CN85100540均通過對氮?jiǎng)菡{(diào)控來調(diào)控滲氮，專利CN1982496通過對 滲氮設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，獲得無化合物層滲氮方法，對目前通用的滲氮設(shè)備不適用，成本較 尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種 SDC99鋼的離子氮碳共滲化合物層相調(diào)控方法，顯著降低鋼件表面滲層的脆性，增強(qiáng)材料表 面耐磨性，本發(fā)明在離子氮碳共滲后進(jìn)行化合物層相調(diào)控。在退氮處理前，化合物層相組 成為Fe 3N和Fe4N，在本發(fā)明退氮處理后化合物層相組成以Fe4N為主，在本發(fā)明相調(diào)控工藝 條件下，白亮層的厚度比未退氮前減少4-5 y m，總滲層增加40 y m左右，退氮處理后截面硬 度梯度更加平緩，化合物層脆性顯著減小，耐磨性能顯著提高，有效延長SDC99鋼的使用壽 命。
[0006] 為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案： 一種SDC99鋼的離子氮碳共滲化合物層相調(diào)控方法，包括如下步驟： a.采用等離子體滲氮爐，將表面待處理的SDC99鋼工件置入等離子體滲氮爐中，所述 SDC99鋼工件的材料成分以質(zhì)量百分含量計(jì)為：C :0. 9-1. 0%，Si : 0. 4-0. 6%，Mn :0. 2-0. 4%， Cr :8. 5-9. 0%，Mo : 1. 40-1. 60%，V :0. 20-0. 40%，其余為Fe，在等離子體滲氮爐內(nèi)，以順3作 為氮源，以〇)2作為碳源，向等離子體滲氮爐輸入NH 3的流量為550-620mL/min，使等離子 體滲氮爐內(nèi)的NH#P C02的兩種氣源摩爾比為16:1，控制等離子體滲氮爐內(nèi)的氮碳共滲的 反應(yīng)溫度為520-540°C，并保持等離子體滲氮爐的爐內(nèi)壓力為450-700Pa，進(jìn)行氮碳共滲反 應(yīng)8-16小時(shí)，在SDC99鋼工件的基體材料表面制備化合物表層，完成對SDC99鋼工件的氮 碳共滲工藝；對SDC99鋼工件的氮碳共滲工藝時(shí)，保持等離子體滲氮爐的爐內(nèi)壓力優(yōu)選為 450-500Pa ;在等離子體滲氮爐內(nèi)，優(yōu)選進(jìn)行氮碳共滲反應(yīng)8-16h ;控制向等離子體滲氮爐 提供的電壓優(yōu)選為650-850V ;控制向等離子體滲氮爐提供的電壓進(jìn)一步優(yōu)選為800-850V ; b.對在所述步驟a中完成氮碳共滲工藝表面處理后的SDC99鋼工件的化合物表層進(jìn) 行氬氣轟擊退氮，使退氮溫度為490-5KTC，氬氣轟擊時(shí)間為4-7小時(shí)。
[0007] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)： 1. 本發(fā)明是對冷作模具鋼SDC99鋼的等離子體氮碳共滲工藝基礎(chǔ)上的化合物層相組 成調(diào)控方法，通過離子氮碳共滲后退氮獲得以Fe 4N相為主的表面化合物層，進(jìn)一步降低滲 層的脆性，增強(qiáng)材料表面耐磨性，顯著提高滲層的綜合物理化學(xué)性能，從而提高整體材料的 使用壽命； 2. 目前市場上的離子滲氮很少對滲后化合物層進(jìn)行相調(diào)控，在等離子體氮碳共滲工 藝基礎(chǔ)上，本發(fā)明運(yùn)用氬氣轟擊退氮法能獲得單一的性能優(yōu)異的鐵氮相化合物層，工藝穩(wěn) 定性好，易于控制，制備成本較低。
【附圖說明】
[0008] 圖1是經(jīng)過本發(fā)明實(shí)施例一離子氮碳共滲化合物層相調(diào)控后的SDC99鋼樣品與未 進(jìn)行相調(diào)控的SDC99鋼原始試樣截面顯微硬度梯度曲線對比圖。
[0009] 圖2是在對比例一中未進(jìn)行相調(diào)控的SDC99鋼原始試樣的洛氏壓痕SEM照片，其 中圖2 (a)是洛氏壓痕全貌SEM照片，圖2 (b)是對圖2 (a)中的M區(qū)域放大SEM照片。
[0010] 圖3是經(jīng)過本發(fā)明實(shí)施例一離子氮碳共滲化合物層相調(diào)控后的SDC99鋼樣品的洛 氏壓痕SEM照片，其中圖3 (a)是洛氏壓痕全貌SEM照片，圖3 (b)是對圖3 (a)中的N區(qū) 域放大SEM照片。
[0011] 圖4是經(jīng)過本發(fā)明實(shí)施例一離子氮碳共滲化合物層相調(diào)控后和在對比例中不同 狀態(tài)下SDC99鋼的試樣的磨損率對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下： 實(shí)施例： 在本實(shí)施例中，參見圖1，一種SDC99鋼的離子氮碳共滲化合物層相調(diào)控方法，設(shè)定不 同的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行A、B、C和D分組實(shí)驗(yàn)，包括如下步驟： a.采用武漢材料保護(hù)所生產(chǎn)的L-DMC等離子體滲氮爐，將表面待處理的SDC99鋼工件 置入等離子體滲氮爐中，所述SDC99鋼工件的材料成分以質(zhì)量百分含量計(jì)為：C :0. 9-1. 0%， Si : 0? 4-0. 6%，Mn :0? 2-0. 4%，Cr :8. 5-9. 0%，Mo : 1. 40-1. 60%，V :0? 20-0. 40%，其余為 Fe，在 等離子體滲氮爐內(nèi)，采用NH3+C02離子氮碳共滲工藝，以順3作為氮源，以0) 2作為碳源，向 等離子體滲氮爐輸入見13的流量為550-620mL/min，使等離子體滲氮爐內(nèi)的NH 3和CO 2的兩 種氣源摩爾比為16:1，控制等離子體滲氮爐內(nèi)的氮碳共滲的反應(yīng)溫度分別分別為520°C和 530°C，保持等離子體滲氮爐的爐內(nèi)壓力分別為450-500Pa和650-700 Pa，進(jìn)行氮碳共滲反 應(yīng)的時(shí)間皆為8-16小時(shí)，供電電壓分別為800-850 V和650-700V，進(jìn)行氮碳共滲反應(yīng)，在 SDC99鋼工件的表面制備化合物表層，完成對SDC99鋼工件的氮碳共滲工藝，離子體氮碳共 滲工藝參數(shù)的過程如下表1離子氮碳共滲試驗(yàn)工藝條件情況表所示： 表1.離子氮碳共滲試驗(yàn)工藝條件情況表
本實(shí)施例在等離子體氮碳共滲工藝參數(shù)的過程中，通過正交實(shí)驗(yàn)方法，對溫度、爐壓、 電壓、時(shí)間等工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，綜合對比A、B、C和D實(shí)驗(yàn)，得到較佳的工藝參數(shù)為上表的 A實(shí)驗(yàn)，A實(shí)驗(yàn)采用的共滲工藝參數(shù)如下：見1 3的流量為550-620mL/min，等離子體滲氮爐內(nèi) 的見13和C0 2的兩種氣源摩爾比為16:1，共滲的溫度為520°C，爐壓為450-500Pa，反應(yīng)時(shí)間 為8-16小時(shí)，供電電壓為800-850 V。
[0013] b.對在所述步驟a中完成氮碳共滲工藝表面處理后的SDC99鋼工件的化合物表 層