结构钢等离子氮碳共渗与氧化复合处理概述和应用

　　结构钢具有高强度、高韧性，容易加工、成本较低等优点而成为工业中用量较大的金属材料之一[1]。但是它最大的缺点就是易锈蚀、易磨损，所以这又限制了它的应用， 而且有时候还会因此而造成巨大的经济损失。为了使结构钢能较好地得到应用，它不仅要具有高强度、高硬度，而且还必须具有较好的抗磨损和抗腐蚀性能。为了使结构钢能达到这一要求，人们做了大量的研究，最后研究者们尝试使用表面改性技术来提高结构钢表面的抗磨损和抗腐蚀性能，因为磨损、腐蚀等失效形式都是首先发生在材料的表面[2]。

　　等离子氮碳共渗处理后在结构钢表面生成一层化合物层(主要相成分为Fe2～3N和Fe3C)，该化合物层的硬度比结构钢基体高几倍，所以处理后显著提高了结构钢表面的抗磨损性能。而且离子氮碳共渗后在同一个炉子中某一特定温度下通入一定比例的氢气和氧气进行氧化处理，即又在化合物层(又称白亮层)的表面生成一层致密的Fe3O4氧化膜(主要相成分为Fe3O4)，Fe3O4是一种反尖晶石结构，化学稳定性高，不溶于酸或碱，膜层比较致密，摩擦系数比较低，能够阻碍腐蚀介质与基体金属的直接接触，所以氧化处理显著提高了结构钢表面的抗腐蚀性能。

　　黄玉堂等[3]指出：该氧化膜具有比镀铬处理还优越的抗腐蚀性能。而且等离子氮碳共渗与氧化复合处理工艺的全过程都是在同一炉中不间断地完成，减少了换炉及氧化时的二次加热，达到节能降耗、省时高效的目的[4]。

　　1 等离子氮碳共渗氧化复合处理概述

　　等离子氮碳共渗是在盐浴氮碳共渗和气体氮碳共渗的基础上发展起来的[5]，它是在等离子渗氮的气氛中加入少量含碳的气体，如甲烷、丙烷、丁烷、乙醇、丙酮、CO2、CO等进行等离子碳氮共渗，现在它也属于热处理工艺之一。尤其是对于一些低碳钢或低碳合金钢，单纯采用等离子渗氮处理的工件表面硬度没有等离子氮碳共渗处理的硬度高，所以其耐磨性也较等离子氮碳共渗差， 这是因为等离子氮碳共渗可以通过调节工艺参数获得以ε单相(Fe2～3N)为主的化合物层[6]，而这种化合物层具有更高的硬度，所以等离子氮碳共渗处理后可以获得更优越的耐磨及抗咬合性能[7]。

　　结构钢等离子氮碳共渗与氧化复合处理是在等离子氮碳共渗完后再进行氧化处理，简称Ion(NC+O)复合处理，是近几年国外兴起的一种新的离子化学热处理工艺，国外称其为PLASOX 技术或IONITOX 技术[8-9]。它是利用稀薄气体辉光放电形成活性氮、碳离子，在直流电场中对工件进行热处理的一种表面改性技术[10]。等离子氮碳共渗与氧化复合处理工艺是先通过等离子氮碳共渗使工件表面生成高硬度的Fe2～3N和少量Fe3C化合物层来提高表面硬度，再通过等离子氧化处理使工件表面形成一层耐腐蚀的Fe3O4膜，即在化合物层的表面形成一层黑色致密的Fe3O4膜[4]，这样经过等离子氮碳共渗与氧化复合处理后，不仅提高了结构钢表面的硬度和耐磨性，而且还可以显著提高结构钢表面的耐腐蚀性能。据文献[11]介绍：结构钢表面经等离子氮碳共渗与氧化复合处理后，工件表面的耐蚀性能超过镀硬铬处理的耐蚀性能，并解决了盐浴氮碳共渗+抛光+氧化处理(QPQ)技术对环境污染的问题，由于该复合处理有这些其他处理所不具有的优点，所以现在的应用越来越广泛。两种不同钢材经过等离子氮碳共渗与氧化处理的截面结构如图1所示[12-13]。可以看出，这两种不同种类的钢材都可以经过等离子氮碳共渗与氧化复合处理来提高零部件表面的抗腐蚀和抗磨损性能，所以该处理技术的应用范围比较广泛。但从图1可以看出，25CrMn4的各渗层都比Y15Pb的厚(放大倍数不同)，抗腐蚀和抗磨损性能也较25CrMn4的好，所以该处理工艺更适合结构钢。处理后结构钢表面一层的黑色氧化膜(Oxidelayer)厚1～3μm，主要成分为Fe3O4相，该相属于反尖晶石结构，化学稳定性高，不溶于酸或碱，具有良好的抗腐蚀性。在做盐雾腐蚀试验中，第一点出现锈点时间超过240h，所以该复合处理显著提高了工件表面的抗腐蚀性能，而且该氧化膜相对于氮碳共渗化合物层有较低的摩擦系数，这就更有效地提高表面的抗磨损性能。等离子氮碳共渗化合物层(Compoundlayer)厚10～30μm，主要成分为Fe2～3N，具有较基体高出几倍的硬度，显著提高了结构钢表面的抗磨损性，而扩散层(0.1～0.3mm)提高了基体的抗疲劳强度。所以等离子氮碳共渗氧化复合处理对提高工件表面综合性能和扩大其应用领域都具有十分重要的作用。