Sdc99钢的离子氮碳共渗化合物层相调控方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钢铁材料表面处理方法，特别是涉及一种钢铁工件的表面氮化处 理工艺，应用于材料热处理和表面工程技术领域。
【背景技术】
[0002] 氮化处理是目前比较常用的表面处理方法，钢铁零件在进行氮化处理时在其表层 所形成的一层铁的氮化物，这层组织叫化合物层，由于其相对扩散层在金相观测中呈现白 色，故又称为白亮层。白亮层由表及里分别为e_Fe 23N相、e+y'相、y' 46"相。由 于不同工况对钢渗氮后表面白亮层有不同的要求，因此需通过各种不同的工艺方法对白亮 层的相成分进行调控，以期获得化合物层中以Fe 4N相为主。
[0003]目前，文献报道中对渗氮后化合物层进行相调控主要有直接控制渗氮温度以及气 源中的氮势来获得所需要的表层相组成（毛喆，李继良.用真空技术改善氮化性能[J]. 热加工工艺，2010, 39 (6): 141-142.谢飞，袁军伟，马宝铀等? W18Cr4V高速钢离子渗氮 层相结构与脆性研究[J].理化检验，1997, 33 (12) : 3-6.)和先渗氮再退氮法（章子元， 张桂芳.38CrMoAlA钢渗氮白层的还原处理[J].金属热处理，1992, 17(11): 44-47.)，前 者没有对渗层化合物层的相组成进行调控，后者用氢离子对渗氮后试样进行轰击，能够轰 击掉"白亮层"，但氢气使用危险性较大，轰击结果不易控制，而且轰击会把脆性小的相 一起去除。
[0004] 中国专利CN85107162采用分段式渗氮和气氛调控，得到的表面相成分为单相化 合物Y'或无化合物的纯扩散层，但是其渗氮时间太长，工艺过程不易控制。中国专利 CN91106880. 5和专利CN85100540均通过对氮势调控来调控渗氮，专利CN1982496通过对 渗氮设备进行设计调整，获得无化合物层渗氮方法，对目前通用的渗氮设备不适用，成本较 尚。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种 SDC99钢的离子氮碳共渗化合物层相调控方法，显著降低钢件表面渗层的脆性，增强材料表 面耐磨性，本发明在离子氮碳共渗后进行化合物层相调控。在退氮处理前，化合物层相组 成为Fe 3N和Fe4N，在本发明退氮处理后化合物层相组成以Fe4N为主，在本发明相调控工艺 条件下，白亮层的厚度比未退氮前减少4-5 y m，总渗层增加40 y m左右，退氮处理后截面硬 度梯度更加平缓，化合物层脆性显著减小，耐磨性能显著提高，有效延长SDC99钢的使用寿 命。
[0006] 为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案： 一种SDC99钢的离子氮碳共渗化合物层相调控方法，包括如下步骤： a.采用等离子体渗氮炉，将表面待处理的SDC99钢工件置入等离子体渗氮炉中，所述 SDC99钢工件的材料成分以质量百分含量计为：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%，其余为Fe，在等离子体渗氮炉内，以順3作 为氮源，以〇)2作为碳源，向等离子体渗氮炉输入NH 3的流量为550-620mL/min，使等离子 体渗氮炉内的NH#P C02的两种气源摩尔比为16:1，控制等离子体渗氮炉内的氮碳共渗的 反应温度为520-540°C，并保持等离子体渗氮炉的炉内压力为450-700Pa，进行氮碳共渗反 应8-16小时，在SDC99钢工件的基体材料表面制备化合物表层，完成对SDC99钢工件的氮 碳共渗工艺；对SDC99钢工件的氮碳共渗工艺时，保持等离子体渗氮炉的炉内压力优选为 450-500Pa ;在等离子体渗氮炉内，优选进行氮碳共渗反应8-16h ;控制向等离子体渗氮炉 提供的电压优选为650-850V ;控制向等离子体渗氮炉提供的电压进一步优选为800-850V ; b.对在所述步骤a中完成氮碳共渗工艺表面处理后的SDC99钢工件的化合物表层进 行氩气轰击退氮，使退氮温度为490-5KTC，氩气轰击时间为4-7小时。
[0007] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点： 1. 本发明是对冷作模具钢SDC99钢的等离子体氮碳共渗工艺基础上的化合物层相组 成调控方法，通过离子氮碳共渗后退氮获得以Fe 4N相为主的表面化合物层，进一步降低渗 层的脆性，增强材料表面耐磨性，显著提高渗层的综合物理化学性能，从而提高整体材料的 使用寿命； 2. 目前市场上的离子渗氮很少对渗后化合物层进行相调控，在等离子体氮碳共渗工 艺基础上，本发明运用氩气轰击退氮法能获得单一的性能优异的铁氮相化合物层，工艺稳 定性好，易于控制，制备成本较低。
【附图说明】
[0008] 图1是经过本发明实施例一离子氮碳共渗化合物层相调控后的SDC99钢样品与未 进行相调控的SDC99钢原始试样截面显微硬度梯度曲线对比图。
[0009] 图2是在对比例一中未进行相调控的SDC99钢原始试样的洛氏压痕SEM照片，其 中图2 (a)是洛氏压痕全貌SEM照片，图2 (b)是对图2 (a)中的M区域放大SEM照片。
[0010] 图3是经过本发明实施例一离子氮碳共渗化合物层相调控后的SDC99钢样品的洛 氏压痕SEM照片，其中图3 (a)是洛氏压痕全貌SEM照片，图3 (b)是对图3 (a)中的N区 域放大SEM照片。
[0011] 图4是经过本发明实施例一离子氮碳共渗化合物层相调控后和在对比例中不同 状态下SDC99钢的试样的磨损率对比图。
【具体实施方式】
[0012] 本发明的优选实施例详述如下： 实施例： 在本实施例中，参见图1，一种SDC99钢的离子氮碳共渗化合物层相调控方法，设定不 同的实验条件进行A、B、C和D分组实验，包括如下步骤： a.采用武汉材料保护所生产的L-DMC等离子体渗氮炉，将表面待处理的SDC99钢工件 置入等离子体渗氮炉中，所述SDC99钢工件的材料成分以质量百分含量计为：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%，其余为 Fe，在 等离子体渗氮炉内，采用NH3+C02离子氮碳共渗工艺，以順3作为氮源，以0) 2作为碳源，向 等离子体渗氮炉输入见13的流量为550-620mL/min，使等离子体渗氮炉内的NH 3和CO 2的两 种气源摩尔比为16:1，控制等离子体渗氮炉内的氮碳共渗的反应温度分别分别为520°C和 530°C，保持等离子体渗氮炉的炉内压力分别为450-500Pa和650-700 Pa，进行氮碳共渗反 应的时间皆为8-16小时，供电电压分别为800-850 V和650-700V，进行氮碳共渗反应，在 SDC99钢工件的表面制备化合物表层，完成对SDC99钢工件的氮碳共渗工艺，离子体氮碳共 渗工艺参数的过程如下表1离子氮碳共渗试验工艺条件情况表所示： 表1.离子氮碳共渗试验工艺条件情况表
本实施例在等离子体氮碳共渗工艺参数的过程中，通过正交实验方法，对温度、炉压、 电压、时间等工艺参数进行调控，综合对比A、B、C和D实验，得到较佳的工艺参数为上表的 A实验，A实验采用的共渗工艺参数如下：见1 3的流量为550-620mL/min，等离子体渗氮炉内 的见13和C0 2的两种气源摩尔比为16:1，共渗的温度为520°C，炉压为450-500Pa，反应时间 为8-16小时，供电电压为800-850 V。
[0013] b.对在所述步骤a中完成氮碳共渗工艺表面处理后的SDC99钢工件的化合物表 层