45钢多元共渗与高频淬火复合强化处理后硬度分析
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摘要：经多元共渗及高频淬火后的45钢表面形成均匀渗层。文中对各种工艺下的实验结果进行分析，利用显微硬度仪（MHS）及扫描电镜（SEM）分析其硬度变化。重点研究温度和时间变化对处理前后性能的影响，以找到相对的最佳工艺。
中图分类号：G353.11文献标识码：A文章编号：
引言
优质碳素结构钢由于具有较好的塑性和韧性在实际中应用十分广泛，但其硬度较低，耐磨性较差，而且其耐腐蚀性也不够理想。本文主要介绍了利用低温气体多元共渗和高频淬火复合强化技术,在45钢表面进行低温气体C,N,O多元共渗以提高碳钢表面硬度。使碳钢在生产中的使用范围扩大。提高产品质量、节省材料、节约能源，对国民经济的可持续发展有十分重要的意义。
实验材料
本实验设备采用西南交通大学研制的低温气体多元渗金属炉。将含有多种元素的气体介质和催化剂通入炉内 ,其中主要含有碳、氮、氧等多种元素 ,经过一段时间保温 ,在催化剂的作用下可在钢材表面快速形成一定厚度的含多种元素的合金渗层。实验用料选用45钢。经机加工成一定尺寸的试样 ,在低温气体多元共渗金属炉中进行碳氮氧多元共渗后进行高频淬火处理 ,经不同加热温度、加热时间和添加剂流量 ,得到不同厚度的表面渗层和不同的表面硬度 ,并将处理后的样品加工成标准金相试样 ,在扫描电镜下观察截面形貌 ,在 HMV-1T维氏显微硬度计上测量其显微硬度值 ,载荷为 50g ,加载时间10s ,几种典型的工艺方案见表1[1]。
表1试样加工工艺编号
实验内容与方法
利用HMV-1T型数字式智能显微硬度计,对试样表面的硬度进行检测，记录下不同工艺情况下的硬度数据，然后对不同的工艺的硬度进行比较。对结果进行分析。
2.1测试方法
1）实验前的准备工作包括：安装物镜、螺旋测微目镜及压头；检查并调整压痕中心与视场中心重合；载荷机构的调整等。
2）试样经加载，卸载，转动载物台，在目镜中可观察到显微硬度的压痕。
3）用螺旋测微目镜测定 压痕对角线的长度。 测量时，首先移动工作台，使试样压痕的左面两边与十字交叉线的右半边重合，记下测微鼓轮的指示数；然后转动鼓轮十字交叉线的左半边与压痕的右面两边重合，记下测微鼓轮上的读数，两数之差为压痕对角线相对应的格数。然后再乘以鼓轮刻度值（放大485倍时每格为0.3μm）即得到压痕对角线长度。一般是测两条相互垂直的对角线的长度取平均值作为压痕对角线的长度d[2] 。
2.2注意事项
1）硬度计本身会产生两种误差：一是其零件的变形、移动造成的误差；二是硬度参数超出规定标准所造成的误差。对第二种误差，在测量前需要用标准块对硬度计进行校准。
2）在更换压头或砧座时，注意接触部位要擦干净。换好后，要用一定硬度的钢样测试几次，直到连续两次所得硬度值相同为止。目的是使压头或砧座与实验机接触部分压紧，接触良好，以免影响试验结果得准确性。
3）硬度计调整后，开始测量硬度时，第一个测试点不用。因怕试样与砧座接触不好测得的值不准确。待第一点测试完，硬度计处于正常运行状态后再对试样进行正式测试，记录测得的硬度值。
4）在试件允许的情况下，一般选不同部位至少测量三个硬度值，取平均值作为试件的硬度值。对形状复杂的试样要采用相应形状的垫块，固定后方可测试。对圆试件一般要放在V型槽中测试。
5）加载前要检查加载手柄是否放在卸载位，加载时动作要轻稳，不要用力太猛。加载完毕，加载手柄应放在卸载位置，以免仪器长期处于负荷状态，发生塑性变形，影响测量精确度。
3 测量结果与分析
鉴于客观条件的限制，所进行的工艺种类有限，故只能根据实验得到的数据进行定性分析,再结合以往经验进行总结。
3.1 测量结果
表2SA系列硬度值
图1SA1在500倍时显微照片 图2 SA2在500倍时显微照片
图3SA3在500倍时显微照片 图4SA4在500倍时显微照片
3.2 结果分析：
由以上的图表可以看出自始至终试样的硬度都是非常大的，而且几乎都在600以上。其中前四个试样分别是在590℃、610℃、630℃、650℃温度的多元共渗加高频淬火处理，最后一种是经690℃1.5h+630℃0.5h的两段渗后再高频淬火处理。在这些试样中均不能看到有明显的分层现象，原因是经过淬火后材料的组织发生了显著变化。
比较前四个试样发现SA4处理的效果更好，渗层硬度最大。硬度值大约分布于800附近，SA1测量值大约分布于750-800之间，比较可以看出SA3的硬度最小。
本组试样经两段渗加淬火处理后的硬度在所有这一系列中是最小的，则说明应该选择效果更好的单段渗工艺，因为经过了淬火处理，所以多元共渗的温度对结果影响不是十分明显。但是在需要确定高精密度的情况下也不能忽略温度因素的影响。可能一点的误差会导致非常严重的后果。
结论
(1)经气体多元共渗与高频淬火复合强化处理后 ,45钢表面形成一定厚度的渗层 ,材料表面硬度得到显著提高.
(2)共渗温度提高 ,渗层厚度增加 ,渗层部位硬度压痕变小 ,显微硬度增高.
(3)靠近试样外表面部位 ,渗层致密性差 ,靠近试样基体部位 ,渗层致密度高 ,且渗层与基体结合致密.
参考文献：
[1] 周海，陈飞等. 铸钢表面多元共渗工艺和性能研究.材料热处理学报第27卷第5期.2006.10
[2] 孙业英.光学显微分析[M].清华大学出版社1998.240～252