【文章內(nèi)容簡介】 主要有碳氮共滲、氮碳共滲、硼氮共滲、硫氮碳共滲等。碳氮共滲與氮碳共滲，即同時(shí)向零件表面滲入碳和氮的化學(xué)熱處理，碳氮共滲也稱氰化，氮碳共滲也稱軟氮化。碳氮共滲以滲碳為主，氮碳共滲以滲氮為主。與單一滲碳相比，碳氮共滲有許多優(yōu)點(diǎn)，主要提高了模具的表面硬度、耐磨性和疲勞極限；并且由于碳氮共滲溫度較滲碳溫度低，共滲后一般可直接淬火，簡化了生產(chǎn)工序，節(jié)約能源并減少了模具的變形。碳氮共滲根據(jù)使用介質(zhì)的不同可分為氣體、液體、固體碳氮共滲。液體碳氮共滲有毒，污染環(huán)境， 工作條件差，已很少應(yīng)用。氣體碳氮共滲速度快，模具變形小，模具具有較高的耐磨性、抗粘著性，可使模具壽命提高 2~5 倍。氮碳共滲表層主要以滲氮為主，提高模具表面的耐磨性和抗咬合性。氣體氮碳共滲的主要特點(diǎn)是：力學(xué)性能綜合了滲碳和滲氮的優(yōu)點(diǎn)，與滲碳相比表面硬度高、耐磨性好，同時(shí)還具有一定的抗蝕性， 由于共滲層存在殘余壓應(yīng)力而提高了鋼的疲勞極限；與滲氮相比，共滲層深度深，表面脆性小。 2 實(shí) 驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備 試樣材料H13 模具鋼（國內(nèi)牌號(hào)為 4Cr5MoSiV1）是世界上普遍使用的強(qiáng)韌兼具的熱作模具鋼。其成分如表 31 所示。表 31 H13 鋼成分化學(xué)成分（wt% ）牌號(hào)C Mn V Si P S Cr MoH13 實(shí)驗(yàn)用品（1）滲鋁劑：FeAl 粉。具體成分為：%Al， %P，%S，%O ，余量為 Fe。（2）填充劑：本實(shí)驗(yàn)全部采用未添加填充劑的滲鋁劑。（3）催滲劑：分析純 NH4Cl。（4）稀土：分析純 CeO2。 其它實(shí)驗(yàn)材料坩堝、水玻璃、耐火泥等。實(shí)驗(yàn)選用坩堝作為容器，并用水玻璃+耐火泥密封，烘干后放置于熱處理爐中進(jìn)行加熱滲鋁。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備（1）利用 MSD100A 刷鍍電源進(jìn)行電刷鍍鎳。（2）滲鋁劑在 DHG9053A 型電熱恒慍鼓風(fēng)干燥箱中干燥。（3）試樣滲鋁在 SX2413 型箱式電阻爐（最高加熱溫度 1300℃）中完成。（4）制備成金相后利用 OLYMPUS GX51 金相顯微鏡、 JSM6460LV 型掃描電鏡及能譜儀對(duì)試樣的滲層及表面進(jìn)行組織觀察和成分分析。（5）用 DX2700 型 X 射線衍射儀分析試樣表面的相結(jié)構(gòu)。（6）用 HVS1000 型顯微硬度計(jì)測試試樣的滲層及表面顯微硬度。（7）用 HSR2M 高速往復(fù)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測試試樣的耐磨損性能。（8）用 NanoMap500LS 三維納米劃痕儀檢測試樣的磨損形貌及機(jī)理。 工藝實(shí)驗(yàn)本課題研究的是稀土對(duì) H13 模具鋼表面 NiAl 涂層的影響。根據(jù)本研究目的，此工藝實(shí)驗(yàn)分為兩部分進(jìn)行：一是在 H13 模具鋼表面先刷鍍一層鎳層，二是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行稀土鋁共滲。鍍 Ni 實(shí)驗(yàn)過程為，電凈——水洗——活化——水洗——鍍特殊鎳——水洗——鍍快速鎳。各鍍液配方如表 32~表 35 所示。電凈時(shí)工件接負(fù)極，鍍筆接正極；活化時(shí)，工件接正極，鍍筆接負(fù)極；鍍特殊鎳時(shí)，工件接負(fù)極，鍍筆接正極；鍍快速鎳時(shí)，工件接負(fù)極，鍍筆接正極。鎳層厚度分為 20181。m、50181。m 和80181。m 三個(gè)厚度。試樣一邊鍍鎳，另一邊不鍍鎳。表 32 電凈液的配方成分 NaOH（ g/ L） Na2CO3（g/ L） Na3PO4（g/ L ） NaCI（g/ L）含量 表 33 活化液的配方成分 H2SO4（ mL/ L） (NH4)2SO4（g/ L）含量 表 34 特殊鎳的配方成分 （g/L） （g/L） CH3COOH（mL /L） HCl（mL /L）含量 396 15 69 21表 35 快速鎳的配方成分 （g/L） C6H7O7NH4（g/L） CH3COON（g/L） （ml/L）含量 254 56 23 106稀土鋁共滲實(shí)驗(yàn)，先把鐵鋁粉和分析純 CeO2 在 120℃下烘 3 小時(shí)，每份滲鋁劑在研缽中研磨 1 小時(shí)，使之充分混合，把試樣和滲鋁劑裝在坩堝中，使試樣處于坩堝中心位置，充分包埋，用水玻璃和耐火泥輕輕密封，在 70℃下烘 30分鐘后取出，最后在 950℃熱處理爐中保溫 6 小時(shí)后，隨爐冷卻。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析 試樣表面宏觀特征為了方便在本實(shí)驗(yàn)中將試樣編號(hào)，如表 31 所示。表 31 試樣編號(hào)試樣編號(hào) 試樣名稱0 號(hào) 單純滲 Al1 號(hào) ReAl 共滲2 號(hào) Ni(20181。m)+ReAl 復(fù)合滲3 號(hào) Ni(50181。m)+ReAl 復(fù)合滲4 號(hào) Ni(80181。m)+ReAl 復(fù)合滲從坩堝中取出時(shí)試樣表面的宏觀特征如表 32 所示。表 32 試樣表面宏觀特征試樣編號(hào) 試樣表面宏觀特征1 號(hào) 表面呈白亮色，無粘著現(xiàn)象2 號(hào) 表面呈淺灰色，無粘著現(xiàn)象3 號(hào) 表面呈灰色，無粘著現(xiàn)象4 號(hào) 表面呈深灰色，無粘著現(xiàn)象 滲層厚度分析圖 31(a)~(d)依次為 1 號(hào)、 2 號(hào)、3 號(hào)和 4 號(hào)試樣的滲層金相組織。表 33和圖 32 是對(duì)應(yīng)的滲層平均厚度及其變化曲線。從圖 31 可知，1 號(hào)試樣滲層組織疏松，結(jié)合程度一般，隨著鍍 Ni 層厚度增大到 50181。m 時(shí)，滲層組織越來越致密，結(jié)合程度越來越好。這可能是因?yàn)?Al和 Ni 原子間發(fā)生了互擴(kuò)散現(xiàn)象，形成了鎳鋁化合物相。但 4 號(hào)試樣滲層組織又變得疏松，結(jié)合程度下降。這是因?yàn)殄儗颖旧砭哂卸嗫仔?，鍍層越厚，滲層內(nèi)的孔隙越多，使?jié)B層組織變得疏松；鍍層越厚，對(duì) Al 原子滲入的阻礙作用越大，使?jié)B層結(jié)合程度下降。 (a) 1 ReAl 共滲 (b) 2 Ni(20181。m)+ReAl 復(fù)合滲 (c) 3 Ni(50181。m)+ReAl 復(fù)合滲 (d) 4 Ni (80181。m)+ReAl 復(fù)合滲圖 31 滲層金相組織表 33 試樣滲層平均厚度試樣編號(hào) 1 號(hào) 2 號(hào) 3 號(hào) 4 號(hào)滲層厚度(181。m) 246 0102030405060708081021406180202460◆/um◆/um圖 32 試樣滲層平均厚度變化曲線從圖 32 和表 33 可知，1 號(hào)試樣的滲層平均厚度最大為 246181。m。隨著鍍Ni 層厚度的增大，試樣的滲層平均厚度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，4 號(hào)試樣的滲層平均厚度最低為 。這是因?yàn)殄?Ni 層對(duì)滲入原子起到了阻礙的作用，并且隨著鍍 Ni 層厚度的增大，這種阻礙作用隨之增大。3．3 硬度本實(shí)驗(yàn)選用 HVS1000 型顯微硬度計(jì)，加載載荷為 50g，加載時(shí)間 15s。3．3．1 表面硬度分析試樣的表面硬度如表 34 所示。表 34 試樣表面硬度試樣編號(hào) 0 號(hào) 1 號(hào) 2 號(hào) 4 號(hào)表面硬度/ HV 602 708 從表 34 可以看出，稀土鋁共滲比單純滲 Al 試樣的表面硬度要高的多，達(dá)到 708 ；在稀土鋁鎳復(fù)合滲中隨著鍍 Ni 層厚度的增加，試樣表面硬度隨之增大，4 號(hào)試樣硬度最大，達(dá)到 。這是因?yàn)橐环矫嫦⊥猎氐奶砑哟龠M(jìn)了 Al 原子的滲入，另一方面 Ni 和 Al 原子之間形成了高硬度的鎳鋁化合物相。3．3．2 滲層硬度分析圖 33 依次為 1 號(hào)、2 號(hào)和 4 號(hào)試樣滲層硬度變化曲線。從圖 33 可以看出，稀土鋁共滲和稀土鋁鎳復(fù)合滲試樣的滲層硬度變化趨勢(shì)基本吻合，都是從表層至基體硬度依次下降，滲層表面硬度最高。在過渡區(qū)域硬度有些變化，這是因?yàn)橄⊥猎嘏c滲層內(nèi)各合金元素的親合程度不同，改變了滲層內(nèi)各合金元素的含量。030690120518021402730306250350450506507508 1◆2 4◆/HV ◆◆/um圖 33 滲層硬度變化曲線3．4 X 射線衍射分析本實(shí)驗(yàn)采