45＃鋼微孔陶瓷化及其摩擦磨損性能研究

葉會成，趙華俊，王 可，王西偉，王葵葵

（江南大學 機械工程與自動化學院，江蘇 無錫 214122）

氮化處理是提高零部件疲勞強度和耐磨性的有效途徑，其方法主要有離子滲氮、高頻滲氮、超聲波滲氮、電解氣相滲氮、純氨氣滲氮、氮氨混合氣體滲氮、軟氮化以及潔凈滲氮等。鋼的軟氮化指在相變溫度以下，碳氮同時滲入的工藝。由于碳的滲入對滲氮速度和氮化層結構產生了有利的影響，因此，基鹽軟氮化工藝具有處理溫度低，時間短，變形小，不受鋼種限制，滲層結構致密、表面質量高等一系列優點，從而在工業生產各領域有著相當廣泛的應用。然而目前針對基鹽軟氮化的研究尚少，本研究結合生產實際，主要對45＃鋼在不同滲氮溫度和滲氮時間下軟氮化后的耐磨性、組織結構、顯微硬度進行了全面系統的分析，并將結果反饋給工廠，為生產實踐服務。

2 實驗材料、實驗方法及設備

首先，我們取一定質量基鹽于坩堝之中，調解加熱爐溫度至580℃左右陳化6～7h，并將試樣按照一定的規律擺放好放進爐中進行預熱20～30 min，控制溫度在360°左右。預熱好之后將試樣放入坩堝之中，控制時間和溫度參數，為更好地方便比較，我們選取了525℃、550℃、575℃、600℃四組保溫溫度以及0.5h、1h、2h、4h四組保溫時間。氮化處理后將試樣取出空冷，使用超聲波清洗儀將試樣洗凈并且置于鼓風機中烘干。滲氮層表面組織用長方XTL－100光學顯微鏡觀察，用HVS－1000硬度測試儀測試滲氮層表面的硬度，耐磨性實驗采用對磨實驗，在MMW－1A萬能摩擦磨損試驗機上進行，載荷為50N，對磨時間為10min，以磨損前后的重量變化計算磨損量。

3 實驗結果分析

3.1 硬度

通過表1的數據可以看出，在相同保溫溫度條件下，保溫時間較長的對應的試樣硬度越大，如在525℃下，滲氮時間為0.5h的試樣硬度值為HV448.3，1h的硬度值為 HV534.5，2h的硬度值為 HV588.6，4h的硬度值為 HV688.6，呈逐漸變大的趨勢。這是因為化合物層中氮濃度隨軟氮化時間延長而增加，使化合物層中ε/γ兩相比例發生變化，同時化合物層的厚度隨共滲時間延長也增厚，因而使氮碳化合物層的表面硬度顯著增高。

同樣，在相同滲氮時間下，保溫溫度越大，對應的試樣硬度越大，如在4h下，保溫溫度為525℃的試樣硬度值為HV688.6，550℃的試樣硬度值為HV679.5，575℃的試樣硬度值為 HV752.4，600℃的試樣硬度值為HV831.2，也呈逐漸變大的趨勢。這是因為隨著軟氮化溫度的升高，化合物層厚度增加。而化合物層中的ε相是以Fe2－3N為基的固容體，在525～600℃范圍內，化合物中的溶氮量和溶碳量隨著溫度的升高而增多，使點陣畸變加劇，提高了塑變抗力。

通過圖1，可以更形象地看出，當保溫溫度從525℃升高到600℃，保溫時間從0.5h到2.0h的增加都會使45＃鋼在基鹽液體軟氮化處理后硬度呈現逐漸變強的趨勢。

表1 不同處理條件下試樣表面維氏硬度值

圖1 45＃維氏硬度變化曲線

3.2 磨損量

表2為45＃鋼在525℃、550℃、575℃、600℃溫度下分別滲氮0.5h、1h、2h、4h之后在 MMW－1A萬試驗機能摩擦磨損上試驗后的結果。通過分析表2的數據，在525℃、550℃、575℃、600℃四個溫度條件下的磨損量均比未處理時的磨損量要小，這表明45＃鋼經過表面滲氮處理后耐磨性有所增強。

鋼經軟氮化后在其表面形成一層非常薄的白亮層。資料顯示：軟氮化形成的白亮層化合物中的ε相除含有N 以外，還含有少量的C，含C的ε相具有高的硬度、耐磨性。由于表層的高硬度的氮化物、氮碳化物的形成，從而使其耐磨性得到明顯提高。

此外，在同一溫度下，隨著滲氮時間的增加（從0.5h增加到4h），磨損量均逐漸減小。如表2中保溫溫度為525℃的一組所示，在0.5h時45＃鋼的磨損量為0.530 703g，在1h時45＃鋼的磨損量為0.201 25g，在2h時45＃鋼的磨損量為0.164 467g，在4h時45＃鋼的磨損量為0.124 794g，磨損量依次減小。這也表明，在同一溫度下，45＃的耐磨性隨保溫時間的增加而增強。在同一溫度下，化合物層的厚度隨著軟氮化時間的延長而增加，故耐磨性得到增強。

表2 不同處理條件下試樣表面磨損量

同理，在同一滲氮時間下，隨著保溫溫度的增加，45＃鋼的磨損量也有不同程度的改變。如表2中數據所示，在0.5h的保溫時間下，525℃的磨損量為0.530 703g，550℃的磨損量為0.398 95g，575℃的磨損量為0.354 667g，600℃的磨損量為0.261 938g，不難發現，磨損量也是依次減小。換言之，隨保溫溫度的增加，相應試樣的耐磨性有所增強。在同一時間下，化合物層的厚度隨著滲氮溫度的升高而增加，故耐磨性得到增強。

3.3 摩擦系數

從表3中可知，經過滲氮處理的試樣摩擦系數的平均值都比未處理的試樣摩擦系數低；其次，對于同種溫度條件，滲氮時間越長則其對應的摩擦系數則越小，如在保溫溫度525℃時，當保溫時間從0.5h增加到4h時，其摩擦系數依次為：0.706 9，0.649 2，0.562 6，0.393 1。對于相同保溫時間，則保溫溫度越高，對應摩擦系數越小，如在0.5h條件下，保溫溫度從525℃增加到600℃時，對應摩擦系數依次為：0.706 9，0.664 5，0.662，0.652 4。

表3 不同處理條件下試樣表面摩擦系數

結合圖2，可以發現當保溫溫度從525℃上升到600℃時，保溫時間從0.5h上升到4h時，45＃鋼的摩擦系數都逐漸減小，這與表3的數據相符。摩擦系數的減小也表明了耐磨性的增強，這也與表2中對于磨損量的研究結論符合。

圖2 45＃摩擦系數變化曲線

3.4 表面磨損情況觀察

由圖3可發現，試樣磨損表面出現金屬光澤且摩擦表面非常粗糙，結合表2可知試樣磨損量最大，與之前得到的數據相吻合。對比圖4到圖7可以發現，同一溫度下，隨時間的增加，試樣表面的劃痕越來越細，這表明試樣的磨損量逐漸減小，耐磨性能增加。同樣，在同一滲氮時間下，45＃鋼表面耐磨性隨著溫度的升高有明顯的改觀。如分別觀察圖4到圖7的（a）圖可以發現，試樣表面的劃痕逐漸減小。這符合表2中的數據。通常磨料磨損的磨損形式是磨損表面的犁溝痕跡，所以可以判斷以上磨損形貌所表現的磨損形式為磨料磨損。而一對摩擦副相互接觸發生黏著后，因相對運動，金屬表面的黏著區（點）在剪切力作用下被間斷，從而出現一個表面的金屬向另一個遷移，形成磨粒，導致磨損；其外觀特點是摩擦面比較光滑；這一現象很符合圖中的磨損形貌特征，所以圖示磨損形式屬于磨料磨損并且隨著黏著磨損。

圖3 未經基鹽液體軟氮化處理試樣在50N載荷、400r/min、10min條件下磨損形表面形貌（放大倍數：40×）

圖4 保溫溫度525℃、四種保溫時間試樣在50N載荷、400r/min、10min條件下磨損表面形貌：（a）0.5h；（b）1.0h；（c）2h；（d）4h（放大倍數：40×）

圖5 保溫溫度550℃、四種保溫時間試樣在50N載荷、400r/min、10min條件下磨損表面形貌：（a）0.5h；（b）1.0h；（c）2h；（d）4h（放大倍數：40×）

圖6 保溫溫度575℃、四種保溫時間試樣在50N載荷、400r/min、10min條件下磨損表面形貌：（a）0.5h；（b）1.0h；（c）2h；（d）4h（放大倍數：40×）

圖7 保溫溫度600℃、四種保溫時間試樣在50N載荷、400r/min、10min條件下磨損表面形貌：（a）0.5h；（b）1.0h；（c）2h；（d）4h（放大倍數：40×）

4 結論

（1）45＃鋼經過表面滲氮處理后耐磨性有所增強。在同一保溫溫度條件下，保溫時間的增加對耐磨性也有很大的改善。在相同滲氮時間這一條件下，隨著實驗溫度從525℃到600℃的升高，試樣的磨損量也有明顯的減小。由此可見，保溫溫度從525℃到600℃的升高，保溫時間從0.5h到4h的增加都會使45＃鋼在基鹽液體軟氮化處理中耐磨性呈現逐漸變強的趨勢。

（2）對于同種溫度條件，保溫時間越長其對應的摩擦系數則越小，對于相同保溫時間，則保溫溫度越高，對應摩擦系數越小。由此，保溫溫度從525℃到600℃的升高，保溫時間從0.5h到4h的增加都會使45＃鋼在基鹽液體軟氮化處理中摩擦系數減小，抗咬合能力增強。

（3）對于同種溫度條件，保溫時間越長其對應的硬度則越大，對于相同保溫時間，則保溫溫度越高，對應硬度越大。由此，保溫溫度從525℃到600℃的升高，保溫時間從0.5h到4h的增加都會使45＃鋼在基鹽液體軟氮化處理中硬度增加。

［1］ 崔忠圻.金屬學與熱處理［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［2］ 夏立芳.金屬熱處理工藝學［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1996.

［3］ 史美堂.金屬材料及熱處理［M］.上海：上?？茖W技術出版社，1979.

［4］ 郭錚勻.鋼的氮化［M］.北京：國防工業出版社，1979.

［5］ 洪班德，姚忠凱.化學熱處理［M］.哈爾濱：黑龍江人民出版社，1981.

［6］ 石淑琴，李文英.合金化滲氮的組織與性能［J］.新技術新工藝，1999，4（2）：20－21.

［7］ 由臣，畢大森，王志奇，等.幾種鋼軟氮化層組織及性能研究［J］.天津冶金，2000，5（4）：9－12.

［8］ 謝飛，馬寶鈿，何家溫.鋼的快速滲氮研究進展［J］.材料導報，1998，12（5）：19－20.

［9］ 黃平.摩擦學教程［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［10］ 夏立芳，高彩橋.鋼的滲氮［M］.北京：機械工業出版社，1989.

［11］ 程曉敏，陶應龍，吳興文.奧氏體氮碳共滲層的相組成與氮濃度分布［J］.金屬熱處理，2003，5（7）：28－31.