35#钢的液相感应碳氮共渗工艺研究

35#钢的液相感应碳氮共渗工艺研究

周凌云

国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 215163

摘要：表面处理技术是改善钢铁材料表面性能，提高表面硬度和耐磨性的重要手段，开发高效率、低能耗、环保的表面处理方法一直是人们努力的目标。液相感应渗入技术是一种新型表面化学热处理技术，本文采用液相感应渗入技术对中碳钢进行处理，构建了液相感应渗入试验装置，探讨了在三乙醇胺和甲酰胺溶液中进行碳氮共渗的可行性，研究了感应加热电流对碳氮共渗层的影响，确定了合适的工艺参数。

关键词：感应加热 甲酰胺 碳氮共渗 35#钢 工艺参数

0 引言

碳氮共渗是将工件置于能产生碳、氮活性原子的介质内，通过加热与保温，使工件表面同时吸收碳、氮原子并向内部扩散，形成具有一定碳氮浓度和一定厚度的碳氮共渗层的化学热处理工艺[1]。液相感应渗入技术最先由美国人M．Gugel提出，在1998年，M．Guge就液相感应渗入技术以及其设备得研究申请了专利[2]。液相感应渗入技术与传统的离子渗入技术相比也具有处理时间短、耗能少、工件受热轻微、处理完成后能及时淬火等优点，是一种很有前途的表面处理技术。

1 实验材料和设备

实验中使用的材料为工业用35#钢，机加工成Φ18mm×10mm的圆柱试样，在试样的正中间钻一个Φ4.5mm的圆孔，用来悬挂试样。悬挂试样的为一根Φ4.5mm×400mm的不锈钢棒。实验所需的其它材料有：砂纸、丙酮和酒精溶液、抛光布和氧化铝粉末、硝酸和酒精、甲酰胺溶液和三乙酰胺溶液。

实验设备是自行研制的液相感应共渗装置。该装置主要由高频感应加热机、感应圈、水冷系统、夹具、感应渗入槽、搅拌系统构成。液相感应渗入实验所采用的是TX-25B型高频感应加热机。该机器为分体式的，包括主机和分机两部分。高频感应加热机的频率为70KHz，电流可调范围为160～900A。液相感应渗入实验所采用的感应圈为铜制感应圈，感应圈的内径为18mm，线圈为3匝。

2 实验方案

实验的具体方案为：前处理→有机溶液的选择→在不同的时间、电流组合下进行渗入处理→最佳工艺参数的确定。

试样前处理好后，把选好的有机溶液倒入烧杯中，启动电磁搅拌装置搅拌溶液，以便于处理过程中溶液温度均匀。把处理好的试样用夹具固定到合适位置，启动电源，按实验设计的工艺参数对试样进行感应渗入处理，处理完成以后，关闭电源。

3 液相感应渗入溶液的选择

液相感应渗入介质分别选择三乙醇胺和甲酰胺溶液，在一系列不同的工艺条件下对试样进行感应渗入处理，处理完毕后，对试样进行镶嵌，经抛光腐蚀后，用金相显微镜观察渗层，并测定截面硬度，看是否实现共渗。

3.1 三乙醇胺溶液

三乙醇胺为无色黏稠液体，微有氨的气味，极易吸湿，常压下约335℃分解，沸点为350℃。三乙醇胺的导热系数较小，试样在其中容易加热至红热状态，处理完成之后试样的冷却速度较慢，工件的表层无法得到马氏体。通过多次试验，得出了试样在三乙醇胺中的加热规律。

试样在三乙醇胺溶液中加热时，当电流选为200A、300A时，试样经过10min后，还无法加热至红热状态，故在随后的渗入处理中，不能选用这两种电流。当电流增大为400、500、600、700、800、900A时，在很短的时间内试样就能加热至红热状态。在400A的电流下，加热2min试样微量熔化；在500A的电流下，加热40s试样就已经微量熔化；当电流为900A，加热8s后试样熔化。在对试样进行液相感应渗入处理时，要求获得平整光滑的表面，不能使试样熔化。因此，选用渗入时间时不能大于微量熔化时间。选取以下工艺参数，对试样进行感应伸入处理。具体参见表1。

表1 试样在三乙醇胺中的处理工艺

按照表1所述的工艺中，对试样进行渗入处理，1#至6#试样处理后的硬度依次为：218、211、221、223、211、213HV。试样基体的硬度为210HV，与基体硬度相比，在三乙醇胺溶液中渗碳处理后，试样边界处的硬度并没有显著地提高。故初步判断，试样表面未能形成渗层。

3.2 甲酰胺溶液

甲酰胺（HCONH2）是一种无色透明的液体，略有胺味，具有吸湿性，180℃开始分解，熔点为210℃。甲酰胺的导热系数较三乙醇胺大，在一些合适的工艺条件下，处理完毕后能对工件实现淬火处理。如果处理完毕时试样温度很高，在甲酰胺溶液中快速冷却时，会产生马氏体组织；如果处理完毕时试样温度较低，由于温度梯度小，冷却速度慢，达不到临界冷却速度，则无法对工件进行淬火处理。试样在甲酰胺溶液中的加热规律如下：当电流大于600A，只要加热10s，试样就熔化了；而在300A下，加热10min，试样表面都无法达到红热状态。根据上述规律，按表2的工艺在甲酰胺溶液中进行渗入处理。

表2 试样在甲酰胺溶液中的处理工艺

通过对处理后试样的金相组织进行观察，可见试样表面有一层自亮层。由此判断，在甲酰胺溶液中，通过液相感应渗入技术能够成功对试样实行渗入处理。

4 液相感应渗入电流的研究

在采用单一的电流对试样进行渗入处理后，试样加热至红热状态时，若继续保持原来的电流，则试样将会被加热至更高的温度，直至试样熔化。如果有方法可以使试样表面的温度保持在某一个温度范围内，将有希望得到具有一定厚度的完整的渗层。为解决这一问题，首先用大电流（A1）将试样加热至红热状态，再将电流减小，用小电流（A2）维持试样表面的红热状态而又不使试样表面温度过高。

当加热电流A1在350～425A之间时，试样表面能获得平滑、连续的渗层。当加热电流Al为450A时，由于电流较大，加热速度较快，容易出现过热现象，试样表面无明显渗层。而当电流为350A时，将试样加热至红热状态所需时间较长。因此，将加热电流A1选在375～425A之间。

当电流A2为240、260、280A时，试样表面能获得连续的白亮层。当电流为220A时，很难维持试样表面的红热状态，因此所得白亮层极薄。当电流为300A时，保持一定的时问后，试样表面温度较高，试样具有过热倾向，所得渗层不连续并且渗层破碎。因此，将A2选为240～280A。

5 结论

在对35#钢进行液相感应渗入时，在三乙醇胺溶液中进行渗入处理时，试样表面不能得到明显的渗层，试样表面的显微硬度较基体没有大的改变；在甲酰胺溶液中进行渗入处理时，试样表面能得到明显的渗层，渗层分为外白亮、内白层和过渡区。当选用425A的加热电流，280A的保温电流，处理6min后，渗层厚达80μm，最大硬度592HV。

参考文献：

[1] 齐宝森，陈路宾，王忠诚等．化学热处理技术[M]．北京：化学工业出版社，2006：174～334

[2] 柏斯森，李林章．金属热加工工艺[M]．北京：机械工业出版社，1999：68～157

作者简介：
周凌云  198705     女   江苏      硕士学历  助理研究员 方向：金属加工领域专利审查
邮编：215163