機(jī)械零件的失效和破壞大多數(shù)都萌發(fā)在表面層，特別是在可能引起磨損、疲勞的條件下工作的零件，表面層的性能尤為重要。化學(xué)熱處理是利用化學(xué)反應(yīng)，有時兼用物理方法改變鋼件表層化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)，以便得到比均質(zhì)材料更好性能的金屬熱處理工藝。我公司對軸銷類鋼件通常采用氣體氮碳共滲的化學(xué)熱處理方法，以提高其耐磨性。但有一些零件經(jīng)過氮碳共滲后在使用過程中出現(xiàn)了一定程度的咬合現(xiàn)象，有必要找到出現(xiàn)這種情況的原因以及工藝改進(jìn)方法。

1.問題原因分析

對軸銷類鋼件進(jìn)行氮碳共滲，可以提高其耐磨性。經(jīng)化學(xué)熱處理后的鋼件，實質(zhì)上可以認(rèn)為是一種特殊復(fù)合材料。心部為原始成分的鋼，表層則是滲入了合金元素的材料。心部與表層之間是緊密的晶體型結(jié)合，它比電鍍等表面防護(hù)技術(shù)所獲得的心、表部的結(jié)合要強(qiáng)得多。

鋼鐵零件形成配合關(guān)系后，在較大載荷下配合面之間會有粘在一起的可能，這就是咬合。咬合現(xiàn)象的本質(zhì)是摩擦焊合與機(jī)械合金化。缺少潤滑和摩擦生熱是出現(xiàn)咬合現(xiàn)象的重要原因。氮碳共滲使鋼件表面產(chǎn)生的滲層主要是由氮碳化合物和氮碳固溶體組成的。碳原子在氮碳共滲的過程中主要起加速作用，而氮化物則有增加材料表面硬度的功能，因為其本身具有高硬度。因此，用氮碳共滲的方法來提高鋼件的耐磨性是通過提高其表面硬度來實現(xiàn)的。在配合面沒有潤滑劑的情況下，有出現(xiàn)咬合的傾向和可能性。

2.工藝改進(jìn)方法

經(jīng)分析，將氣體氮碳共滲改為鹽浴硫氮碳三元共滲可以解決咬合問題。硫氮碳共滲實質(zhì)上是滲硫與氮碳共滲的結(jié)合。與氮碳共滲相比，硫氮碳共滲的優(yōu)點在于能使鋼件表面覆蓋一層韌而硬度較低的硫化物層，使摩擦接觸表面具有良好的磨合性，同時該層的微孔中可儲存潤滑油，加之硫化物本身的摩擦系數(shù)較低，所以經(jīng)硫氮碳共滲的鋼件具有良好的抗咬合性、減摩性。此外，由于硫的滲入，改變了氮碳化合物的分層狀態(tài)，減小了滲層脆性和剝落傾向。但硫氮碳共滲層抗摩擦磨損的能力比氮碳共滲要差一些。

從理論上講，經(jīng)過硫氮碳三元共滲的工件表面會形成硫氮碳化合物層，而該層又分為外側(cè)的疏松層和內(nèi)側(cè)的致密層兩部分，如附圖所示。疏松層即上文提到的硫化物層，主要由FeS、FeS₂組成；致密層主要由氮碳化物組成，氮碳化物具有高硬度和高耐磨性的特點。因此，鋼件經(jīng)硫氮碳三元共滲后，其表面耐磨性的提高，是建立在致密層的高硬度和疏松層的低摩擦系數(shù)二者共同作用的基礎(chǔ)上的。

硫氮碳三元共滲處理后的鋼件表面金相組織

我公司軸銷類鋼件主要為45鋼，其鹽浴硫氮碳三元共滲在565℃進(jìn)行150min，CNO^-濃度為（34±2）%。需要指出的是，工件在不同工況中所需的耐磨性、減摩性、抗咬合性略有不同，因此在實際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)性能要求調(diào)整硫氮碳三元共滲工藝過程中的溫度、時間及離子濃度等參數(shù)。通過對工藝參數(shù)的控制，可以改變?nèi)矟B工件表面疏松層、致密層及整個化合物層的深度，進(jìn)而調(diào)整其性能。

3.結(jié)語

采用硫氮碳三元共滲代替氮碳共滲可以解決軸銷類鋼件在使用過程中出現(xiàn)咬合現(xiàn)象的問題。鋼件經(jīng)硫氮碳三元共滲后，其表面耐磨性的提高，是建立在致密層的高硬度和疏松層的低摩擦系數(shù)二者共同作用的基礎(chǔ)上的。在實際生產(chǎn)中，可以通過對硫氮碳三元共滲工藝過程中溫度、時間及離子濃度等參數(shù)的控制來調(diào)整鋼件的性能。