PDF《空气与 C3H8 含量对气体氧-氮-碳三元共渗 化合物层结构的影响》

air;

C3H8;

compound layer thickness;

ε-Fe2-3(N, C) phase 收稿日期:2012-08-30 基金项目:浙江省自然科学基金项目(Y4100156);

宁波市工业重大(重点)择优委托科技攻关项目(2011B1016);

宁波市江北区科 技计划工业科研攻关项目(2010A0203) 作者简介:郑贺(1982- ),男,江苏徐州人,硕士,主要研究方向为材料表 面改性与涂覆技术;

电话:0574-86685035;

E-mail:[email protected] 通讯作者:汪爱英(1975- ),女,陕西渭南人,研究员,博士生导师,博士;

电话:0574-86685170;

E-mail:[email protected]

145 Hot Working Technology 2013,Vol.42,No.10 (c)30% (a)10% (b)20% 图1不同空气与 C3H8 通入量下氧-氮-碳三元共渗 S20C 钢表面化合物层的截面显微形貌 *500 Fig.1 Microstructure of oxynitricarburised compound layer under different air and C3H8 contents on the S20C steel *500 面微观形貌与相组成的变化规律, 旨在为高性能 氧-氮-碳三元共渗层的制备提供理论和技术指导.

1 实验条件 1.1 实验准备 试样采用碳素钢 S20C,其化学成分(质量分数,%) 为0.21C,0.43Mn,0.19Si,0.008P,0.008S,0.107Cr. 试样 规格 准10mm*5mm,圆柱上下表面用不同型号砂纸 打磨后再用丙酮清洗. 采用 ZRJ3-12-9 保护气氛炉 进行氧-氮-碳三元共渗处理,共渗气氛为 NH

4、C3H8 气体及经过无油与干燥处理的洁净空气以及纯度≥ 99.9%N2. 1.2 实验方法 根据前期工作结果,在540~580℃根据氧添加 量的不同,C3H8 主要发生以下反应: C3H8 +5O2→3CO2 +4H2O (1) C3H8+O2 /2→CH4+CO+2H2+C (2) C3H8→C+2CH4 (3) 对比三个反应式,发现当添加的空气与 C3H8 气 体比例较高时,反应式(1)为C3H8 的主要分解反应;

当添加的空气与 C3H8 气体比例低于一定值时,反应 式(3)为C3H8 的主要分解反应;

在此区间内,选择空 气∶C3H8= 4.5 ∶

1 时,反应(2)为C3H8 主要分解反应, 并产生 CO 气体与 H2 气体,CO 在CO+H2→C[Fe]+ H2O 反应下可以为三元共渗提供丰富的活性碳原 子;

而H2 在可逆反应 2NH3 圮N2 +3H2 中将利于反应 向形成 NH3 的方向进行,可以使炉内保持较低的氨分 解率、较高的氮势,因此可以提供更多的活性氮原子. 本文采用设计的两段式气体氧-氮-碳三元共 渗方法进行试验. 在580℃预热

20 min 后进行

2 h 的三元共渗处理. 随后保持炉内气氛不变,降温直 至稳定于 540℃,降温加保温时间总计 1.5h.最后用 氮气排空炉内气氛, 试样取出空冷. 气体总流量为 0.8m3 /h,采用三种气氛组合方式分别为: 50%NH3 +10%(4.5 空气 +C3H8)+40%N2;

50%NH3 +20%(4.5 空气 + C3H8)+30%N2;

50%NH3 + 30%(4.5 空气 +C3H8)+20%N2 . 在氧-氮-碳三元共渗过程中,通过改变添加的 空气与丙烷气体总含量, 研究其对三元共渗化合物 层厚度、形貌特种以及相组成的影响规律,其中采用 金相法测量化合物层厚度与形貌表征,X 射线衍射 (XRD)检测化合物层表面的相组成结构.

2 结果及讨论 2.1 化合物层厚度变化 氧气与 C3H8 的添加量决定了炉内气氛反应产 生的 CO、CO2 的总量, 而CO 和CO2 在炉内气氛的 含量对样品表层化合物层厚度与相组成有着极大的 影响. 图1为在总流量为 0.8m3 /h、空气与 C3H8 总添 加百分比分别为 10%、20%、30%, 经过三元共渗处 理后的 S20C 样品横截面的光学形貌. 可以看出,在 三种不同的气氛下进行氧-氮-碳三元共渗处理后 的S20C 钢样品表面, 在最表面氧化层之下均可形 成均匀且较为致密的化合物层. 图中化合物层平均 厚度分别为 18.