一種提高氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及表面熱處理技術領域，特別是指一種提高氮碳共滲強化層表面致密性 的復合熱處理工藝；具體是指一種短時低氮勢氮碳共滲后直接奧氏體化處理提高滲層致密 性的復合熱處理工藝。
【背景技術】
[0002] 在鋼鐵表面進行滲氮/氮碳共滲處理能夠提高鋼件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕 性和抗疲勞強度等綜合性能。因此，在許多工業領域得到廣泛應用。氮碳共滲（軟氮化） 根據介質的不同，分為氣體軟氮化、液體軟氮化、離子軟氮化等。
[0003] 根據國標CBT18177-2008的教導，傳統的鋼的氣體滲氮工藝通常包括常規滲氮與 短時滲氮兩種，常規滲氮工藝時間通常在66-210小時，氨分解率為20-60%，短時滲氮時間 為2-4小時，氨分解率為35-60% (見CBT18177-2008中8. 6滲氮工藝）；上述氨分解率對應 的滲氮氣氛氮勢為13. 77-1. 325atm_1/2 (見CBT18177-2008附錄B);本領域中，氮碳共滲除 氮化時間有所縮短之外，其工藝參數一般情況下也是按國標CBT18177-2008的規定執行。
[0004] 滲氮/氮碳共滲得到的滲層通常包括表面化合物層、中間過渡層、內部擴散層，傳 統滲氮/氮碳共滲的常規滲氮工藝得到的滲層中，表面化合物層普遍存在孔洞、疏松的組 織缺陷，致使滲層的耐磨性和脆韌性較差；針對這種現象，潘建生教授團隊于1997年發表 在《金屬熱處理》第5期上的《短時滲氮工藝的研宄》提出了采用短時高氮勢滲氮工藝，該 工藝已收錄在國標CBT18177-2008中，采用短時高氮勢滲氮工藝可以獲得表面致密的化合 物層，有效提高滲層的耐磨性，但滲層的脆韌性仍然較差；其原因在于：短時高氮勢滲氮得 到的滲層中的化合物層主要為脆性相e-Fe2_3N，致使滲層脆韌性較差。
[0005] 針對這種現象，本發明人于2011年1月25日申報的專利申請號為201110026979 的發明專利，提出了采用在傳統氮碳共滲處理后進行奧氏體化處理和等溫時效處理，獲得 了脆韌性和耐磨性較高的表面強化層。通過奧氏體化和等溫時效處理，將滲層的化合物層 溶解，化合物層中發生以下相變：奧氏體化過程，發生e-Fe2_3N-y-Fe(N)的相變，隨后進 行的等溫時效，發生Y_Fe(N) - (a-Fe+Y' -Fe4N)的相變，使滲層的化合物層轉變為超 細貝氏體層，該強化層由于細晶強化，因而具有極優的韌性，但是，發現其致密性則相對于 原始的化合物層有較大的下降。
[0006] 另外，申請號為201110026979的發明專利，采取氮碳共滲冷卻后的試樣再進行奧 氏體化等后續熱處理，不僅工藝繁瑣，耗時較長，不利于工業應用中的批量化生產，更大的 問題在于氮碳共滲后的"冷卻處理"對后續奧氏體化處理和等溫時效處理起著極大的負面 效應，具體體現在以下兩個方面：a)若是氮碳共滲后采用水淬處理（快速冷去），則會導致 [N]向表層（e相）偏聚，將大大延長奧氏體化處理時間（使e相完全分解的時間），與此 同時增大了氮損失的程度；b)若是氮碳共滲后采用爐冷處理（緩慢冷卻），則次表層（擴散 層）a基體中的Fe4N等析出相已全部析出并長大，則后續控制析出相的人工時效處理便失 去了意義。
[0007] 總之，該工藝不僅操作繁復，耗時過長，而且由于奧氏體化處理階段出現的滲氮強 化層脫氮行為導致最終試樣表層出現大量孔洞和裂紋，致使一系列表面性能由于孔洞層的 存在而不能得到真實的反映，更與對尺寸和表面光潔度要求較高的精密工件的氮化處理相 悖，故大幅降低了該工藝的實際應用價值。
【發明內容】
[0008] 本發明所要解決的技術問題是：針對在現有技術所存在的氮碳共滲強化層表面疏 松的問題，提供一種操作簡單、易于實現、可以完全消除氮碳共滲強化層孔洞和裂紋、有效 提高鋼材料工件氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理工藝。
[0009] 為解決上述技術問題，本發明一種提高氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理 工藝，采用下述方案實現：
[0010] 將鋼材進行氮碳共滲后直接隨爐升溫，在保護氣氛下進行奧氏體化處理 后水淬，然后進行等溫時效處理，得到貝氏體表面強化層；貝氏體表面強化層為 (a-Fe+a" -Fe16N2+y' _Fe4N)相，（見附圖 12);
[0011] 所述氮碳共滲工藝參數為：氮碳共滲溫度為550~585°C，共滲時間為0. 5~ 1. 5h，爐氣氮化勢值為0. 40~0. 8atnT1/2。
[0012] 本發明一種提高氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理工藝，所述共滲時間為 0? 6~1. 3h，爐氣氮化勢值為0? 45~0? 75atnT1/2。
[0013] 本發明一種提高氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理工藝，所述共滲時間為 0? 7~1. 2h，爐氣氮化勢值為0? 55~0? 7atm_1/2。
[0014] 本發明一種提高氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理工藝，所述共滲時間為 0? 8~1.lh，爐氣氮化勢值為0? 6~0? 7atm_1/2。
[0015] 本發明一種提高氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理工藝，奧氏體化處理 工藝參數為：保護氣氛選自氮氣、氬氣中的一種，奧氏體化處理溫度為675~695°C，保溫 1. 5 ~ 2. 5h〇
[0016] 本發明一種提高氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理工藝，奧氏體化處理溫 度為680~690°C，保溫1. 6~2. 3h。
[0017] 本發明一種提高氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理工藝，奧氏體化處理溫 度為 680-685 °C，保溫 1. 8 ~2.lh。
[0018] 本發明一種提高氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理工藝，等溫時效處理工 藝參數為：在鹽浴或油浴爐中，溫度為145~200°C，保溫8-20h。
[0019] 本發明一種提高氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理工藝，等溫時效溫度 為：150 ~190°C，保溫 10-20h。
[0020] 本發明一種提高氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理工藝，等溫時效溫度 為：165 ~185°C，保溫 13-20h。
[0021] 本發明一種提高氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理工藝，鋼材選自碳鋼、 合金鋼、中的一種。
[0022] 本發明一種提高氮碳共滲強化層表面致密性的復合熱處理工藝，碳鋼選自10號 碳鋼，合金鋼選自〇Mnl2Ni2鋼。
[0023] 發明人經過長期研宄分析，認為現有技術公開的氮碳共滲后進行奧氏體化處理加 等溫時效處理之所以存在滲層致密性相對于原始的化合物層有較大下降的原因，主要是兩 個方面：第一，常規滲氮工藝得到的滲層中，表面化合物層本身就普遍存在孔洞、疏松的組 織缺陷；第二，奧氏體化處理過程發生脫氮行為，導致基體表面孔洞及裂紋增加；上述兩個 原因，導致常規滲氮工藝得到的滲層發生孔洞層疊加效應，更進一步降低其表層的綜合性 能；對于短時氮碳共滲工藝得到的表面致密滲層，則由于奧氏體化處理過程，發生脫氮，使 基體表面產生孔洞及裂紋，從而降低試樣表面強化層的致密性，大幅降低了其表層的綜合 性能；其機理分析如下：
[0024] 由于化合物層的主相e-Fe2_3N是一種特殊的六角晶格結構，該結構容納[N]的濃 度存在一個較大的彈性區間（wt% :4. 5%~15%)，采用常規氮碳共滲或短時氮碳共滲工 藝，其氮勢都很高，導致化合物層N濃度值偏高，通常達到9 %以上，因此，在奧氏體化處理 階段，當e-Fe2_3N相溶解，轉變為Y-Fe(N)時，由于Y-Fe(N)相中固溶的N濃度值通常小 于2. 5 %，遠低于e-Fe2_3N相中N濃度值，因此，相變的過程，基體必然會發生脫氮行為，脫 氮帶來的直接效果是使得基體表面孔洞及裂紋的數目增加，脫氮殘留的孔洞和裂紋等缺陷 直接影響了試樣表面強化層的致密性，從而大幅降低了其表層的綜合性能。
[0025] 基于以上分析，發明人進行了大量實驗，通過調整氮碳共滲過程的氮化勢及氮碳 共滲時間的有機匹配，實現滲層中的化合物層的氮含量適中且滲層表面致密，杜絕了后續 奧氏體化處理過程中脫氮現象