首次采用空氣、氮氣和氫氣混合氣源對45 鋼進(jìn)行離子氧氮共滲，并研究空氣流量對滲速和組織性能的影響。采用金相顯微鏡、X 射線衍射、電化學(xué)工作站對處理后的45 鋼進(jìn)行測試和分析。研究結(jié)果表明，在離子氧氮共滲過程中添加適量的空氣比傳統(tǒng)離子氧氮共滲有顯著的優(yōu)勢，其中空氣流量為0.2L/min 時獲得最佳滲層厚度與耐蝕性。溫度550℃、保溫4h 工藝條件下，滲層厚度達(dá)到約60 μm，是傳統(tǒng)離子滲氮的2 倍以上；耐腐蝕性也比傳統(tǒng)離子滲氮有進(jìn)一步提高。0.2 L/min的空氣流量得到的鐵氧化合物主要是Fe3O4，空氣流量≥0.4 L/min 時，F(xiàn)e2O3相增加，氮氧共滲效果變差。

　　45 鋼是一種中碳結(jié)構(gòu)鋼，廣泛應(yīng)用于眾多需要優(yōu)良綜合性能的結(jié)構(gòu)零件。為進(jìn)一步擴(kuò)大其工業(yè)應(yīng)用，有必要通過化學(xué)熱處理改善其表面耐磨性和耐蝕性，常用的技術(shù)方法有表面淬火、軟氮化和離子滲氮等。其中離子滲氮屬于環(huán)境友好的表面熱處理技術(shù)，具有滲速快、熱效率高等優(yōu)點，并且輝光均勻覆蓋工件表面，可以處理形狀復(fù)雜的工件，但不足是:處理周期長、能耗大、設(shè)備效率低。

　　已有的研究表明，氣體滲氮過程中加入氧可以大大提高滲氮速度，從而降低能源消耗，縮短生產(chǎn)周期，而且氧氮共滲還有利于提高滲層硬度。同時，由于氧氮共滲的滲層表面可生成了一層以Fe3O4為主、輔以少量Fe2O3的氧化膜，該氧化膜具有摩擦系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性高的特點，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為可進(jìn)一步提高零件的耐磨性和耐蝕性。

　　本研究首次報道采用空氣、氮氣和氫氣作為氣源對45 鋼進(jìn)行離子氧氮共滲，目的是探索離子滲氮過程中適量添加空氣，是否能像氣體氮化一樣起到顯著提高滲速并進(jìn)一步改善組織性能的效果。同時，系統(tǒng)研究空氣流量對45 鋼離子氮氧共滲滲層組織與性能的影響。

　　1、實驗材料及方法

　　實驗材料為調(diào)質(zhì)態(tài)45 鋼，基體硬度約290HV0.05，化學(xué)成分(質(zhì)量比) 為0.42% ～0.50% C，0.17% ～0.36% Si， 0.50% ～0.70% Mn，其余為Fe。采用線切割加工成尺寸為10mm×10mm×5mm的試樣，并采用240- 2000 號的砂紙逐步進(jìn)行打磨，最后在無水乙醇中用超聲波清洗15 min，取出吹干并放入密封袋待用。

　　將試樣放置在向LD-8CL 型直流等離子體滲氮爐內(nèi)，進(jìn)行離子氮氧共滲，工藝流程如圖1 所示，主要分如下四步：①抽真空使?fàn)t內(nèi)氣壓小于20 Pa，通入氫氣，流量為0.5 L/min，對試樣進(jìn)行濺射加熱和清潔處理，保持0.5 h；②氫氣流量提高到0.6 L /min，并通入流量為0.2 L /min 的氮氣，加熱試樣到550℃；③在保持上述氫氣和氮氣流量不變的情況下，通入不同流量的空氣，進(jìn)入離子氮氧共滲階段，保溫4 h；④關(guān)閉所有氣源，試樣在離子滲氮爐內(nèi)冷卻到室溫。

圖1 離子氧氮共滲工藝流程圖

　　使用DMI-3000M 型金相顯微鏡觀察離子氮氧共滲的截面組織形貌，并用D/max-2500 型X 射線衍射儀(XRD) 分析試樣表層的物相結(jié)構(gòu)；采用HXD-1000TMC 型顯微硬度計測量試樣的表面硬度，載荷為50 g，保荷時間為15 s，測量5 次，取平均值作為硬度值；采用CS 350 電化學(xué)測試系統(tǒng)在3.5%NaCl 溶液中測量試樣在室溫下的極化曲線，選擇飽和甘汞電極(SCE) 作為參比電極，Pt 電極作為輔助電極，掃描速率為10 mV/s。

　　2、結(jié)論

　　(1) 加入流量≤0.3 L/min 的空氣對離子滲氮產(chǎn)生明顯促進(jìn)作用，且進(jìn)一步改善45 鋼耐蝕性；

　　(2) 離子氧氮共滲的最佳空氣流量為0.2 L/min，溫度550℃、保溫4 h 工藝條件下，白亮層達(dá)到約60 μm，是普通離子滲氮的兩倍以上；形成的鐵氧化合物主要為Fe3O4相，顯著改善45 鋼耐蝕性；

　　(3) 空氣流量≥0.4 L /min 時，表面形成的氧化物較多，且主要為Fe2O3，不利于氮化層形成并降低45 鋼耐蝕性。