20CrMnTi钢真空碳氮复合渗工艺与渗层特性研究

摘要

采用真空脉冲渗碳和真空感应渗碳制备渗碳层、离子渗氮和真空感应渗氮制备渗氮层、真空脉冲渗碳+（真空脉冲渗氮、真空感应渗氮、离子渗氮）三种方法以及真空感应碳氮共渗方法制备碳氮复合强化层，利用X射线衍射仪、显微镜、扫描电镜、能谱仪、EBSD、显微硬度计和微观划痕测试仪等分析了渗层的物相、组织结构、截面元素分布、物相分布、致密性、显微硬度梯度和渗层脆性。结果表明：真空感应渗碳：相同渗碳压力下，表面硬度值都高于对应的真空脉冲渗碳工艺的表面硬度值，渗层厚度也高于对应的真空脉冲渗碳工艺，耐磨性能都优于真空脉冲渗碳，其中-70 kPa时的磨损速率为6.27E-07 cm3/min·N，能够在15 min中内获得400~500μm的渗碳层，1 h后渗层深度达到1 mm，渗层硬度超过750 HV，渗碳动力学性能优异。温度为900℃时，渗碳时间低于125min时，“表层吸附”是主要的控速因素，而当渗碳时间大于125 min以后，内扩散则成为了主要的控速环节；随着温度升高，“表层吸附”所起控速作用时间减短，当温度为940℃时，该时间缩短为60 min；真空感应渗氮：温度越高，氮化表面硬度越低，当温度为500、530和560℃时，感应渗氮与离子渗氮具有相似的物相、显微组织结构、显微硬度梯度和有效渗氮层厚度及相似的耐磨性能，感应渗氮渗氮层的表面硬度值更高，但是最表层1~2 μm处为多孔疏松不致密的结构，真空感应渗氮在1 h内能够获得300 μm以上的渗氮强化层，气体压力对渗氮层的厚度影响不大，随着渗氮气体压力的增加，渗层的厚度有小幅度的增加，但是当渗氮气体压力过大时，渗氮层的脆性增大；先渗碳后离子渗氮工艺制备的白亮层最厚，氮元素相对含量最高，几乎是单一离子渗氮的两倍，氮原子在奥氏体中有较大的溶解度，渗碳淬火后形成的残留奥氏体有助于活性氮原子的吸附，马氏体形成时的晶格畸变产生许多空隙，有利于氮原子的扩散，使其具有更厚的渗层，白亮层主要由碳化物Fe4N强化，弥补了单一渗碳后表面硬度较低的不足；不同气体压力的真空感应碳氮共渗都有效地提高了20CrMnTi钢的表面摩擦性能，其中当压力为-25 kPa时，耐磨性能最好，磨损速率最低，磨损速率为5.32E-07 cm3/min·N。

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