首次以丙烷作為供碳劑對45鋼進行離子碳氮共滲。利用金相顯微鏡、X射線衍射儀和顯微硬度計研究了丙烷濃度對試樣截面形貌、物相組成和表面硬度的影響。結果表明：隨丙烷濃度的增加，化合物層厚度和表面硬度均呈現先增大后減小的趨勢。當丙烷濃度為1.5%時，510℃離子碳氮共滲4h后，化合物層厚度和表面硬度分別達到最大值40μm 和779HV0.05，同時得到以ε相為主，并伴有極少量滲碳體的最優物相組成。當丙烷濃度超過1.5%時，化合物層厚度和表面硬度均下降，這是由于滲碳體相含量隨丙烷的增加而增加，并當丙烷濃度為2.5%時滲碳體成為主要物相，從而阻礙了C、N原子向基體內的進一步擴滲。

　　離子碳氮共滲是一種表面化學熱處理技術，處理后在工件表面形成C、N原子的富集區，該富集區劃分為化合物層和擴散層。化合物層一般包括γ′-Fe4(C，N)相和ε-Fe2-3(C，N)相，可以提高材料表面的硬度、耐磨性、耐蝕性以及抗氧化性，而ε相的耐蝕性又優于γ′相，因此ε相的形成更有利于提高其表面耐蝕性。擴散層是Fe的過飽和固溶體，即此時C、N原子處于鐵素體晶格點陣的間隙位置，其作用是提高材料的疲勞強度以及抗載荷能力。

　　相對于傳統的碳氮共滲技術而言，離子碳氮共滲技術具備一系列優點，如對環境無污染、滲速快、滲層易控制、滲后工件質量好等，因此離子碳氮共滲技術得到了廣泛應用。但是研究表明在含C、N等離子輝光放電氣氛中，很難在普通碳素鋼表面形成以ε相為主的物相結構，難點在于供碳劑種類的選擇以及其濃度的控制。當供碳劑為甲烷時，只得到單一的γ′相或γ′相、ε 相和滲碳體的混合物相，而從CO2、CO中電離出的活性碳原子又不足以產生以ε相為主的物相結構。因此，為了在45鋼表面得到以ε相為主的物相結構，研究新的供碳劑及其合適的濃度具有十分重要的意義。

　　本研究選用丙烷作為供碳劑，研究了不同的丙烷濃度(從0.5%到2.5%)對45鋼離子碳氮共滲的影響，其目的是得到滲速最快且相組成最優的最佳工藝。此外，為比較不同供碳劑的滲后效果，設定濃度為1.5%的甲烷離子碳氮共滲后的試樣為參考試樣。

　　1、實驗材料及方法

　　實驗材料為45鋼，其化學成分(質量比)為：0.46% C，0.17% Si，0.52% Mn，0.031% S，0.032% P，其余為Fe。采用線切割將45鋼加工成尺寸為10mm×10mm×5mm 的試樣，再對其進行調質處理：830℃下保溫8min立刻水冷，隨后在560℃回火20min;最后將調質后的試樣用240～2000目的砂紙進行打磨，并置于無水乙醇中進行超聲波清洗，以得到清潔的試樣表面，再吹干，待用。將準備好的試樣放置在真空爐內，并抽真空使得爐內氣壓小于10Pa。再通入不同比例的氮氣和供碳劑，并保持爐內氣壓均為290Pa。實驗中，丙烷的濃度的變化范圍為0.5%～2.5%，參考試樣的所采用的甲烷濃度為1.5%，所有的試樣離子碳氮共滲溫度均為510℃，保溫時間均為4h。

　　利用DMI-3000M 型金相顯微鏡觀察離子碳氮共滲試樣的截面組織形貌，并用D/max-2500型X射線衍射(XRD)儀分析試樣表層的物相組成，采用HXD-1000TMC型維氏顯微硬度計測量試樣的表面硬度，載荷為0.05kgf，保荷時間為15s，取4次測量的平均值作為最終硬度值。

　　3、結論

　　由于丙烷的電離能比甲烷低，更易分解，因此比甲烷更適合作為供碳劑。研究發現隨著丙烷濃度的增加，化合物層厚度和表面硬度均呈現先增大后減小的趨勢。當丙烷濃度為1.5%時，在510℃離子碳氮共滲4h后，化合層厚度達到最大值40μm，表面硬度達到最大值779HV0.05，同時得到以ε 相為主，并伴有極少量滲碳體的最優相組成。當丙烷濃度超過1.5%時，化合物層的厚度和表面硬度均下降，這是由于滲碳體相隨丙烷的增加而增加，并在丙烷濃度為2.5%時成為主要物相，從而阻礙了C、N原子向基體內的進一步擴散，導致化合物層厚度和表面硬度下降。