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采用真空脉冲渗碳和真空感应渗碳制备渗碳层、离子渗氮和真空感应渗氮制备渗氮层、真空脉冲渗碳+（真空脉冲渗氮、真空感应渗氮、离子渗氮）三种方法以及真空感应碳氮共渗方法制备碳氮复合强化层,利用X射线衍射仪、显微镜、扫描电镜、能谱仪、EBSD、显微硬度计和微观划痕测试仪等分析了渗层的物相、组织结构、截面元素分布、物相分布、致密性、显微硬度梯度和渗层脆性。结果表明:真空感应渗碳:相同渗碳压力下,表面硬度值都高于对应的真空脉冲渗碳工艺的表面硬度值,渗层厚度也高于对应的真空脉冲渗碳工艺,耐磨性能都优于真空脉冲渗碳,其中-70 kPa时的磨损速率为6.27E-07 cm3/min·N,能够在15 min中内获得400500μm的渗碳层,1 h后渗层深度达到1 mm,渗层硬度超过750 HV,渗碳动力学性能优异。温度为900℃时,渗碳时间低于125min时,“表层吸附”是主要的控速因素,而当渗碳时间大于125 min以后,内扩散则成为了主要的控速环节;随着温度升高,“表层吸附”所起控速作用时间减短,当温度为940℃时,该时间缩短为60 min;真空感应渗氮:温度越高,氮化表面硬度越低,当温度为500、530和560℃时,感应渗氮与离子渗氮具有相似的物相、显微组织结构、显微硬度梯度和有效渗氮层厚度及相似的耐磨性能,感应渗氮渗氮层的表面硬度值更高,但是最表层12μm处为多孔疏松不致密的结构,真空感应渗氮在1 h内能够获得300μm以上的渗氮强化层,气体压力对渗氮层的厚度影响不大,随着渗氮气体压力的增加,渗层的厚度有小幅度的增加,但是当渗氮气体压力过大时,渗氮层的脆性增大;先渗碳后离子渗氮工艺制备的白亮层最厚,氮元素相对含量最高,几乎是单一离子渗氮的两倍,氮原子在奥氏体中有较大的溶解度,渗碳淬火后形成的残留奥氏体有助于活性氮原子的吸附,马氏体形成时的晶格畸变产生许多空隙,有利于氮原子的扩散,使其具有更厚的渗层,白亮层主要由碳化物Fe4N强化,弥补了单一渗碳后表面硬度较低的不足;不同气体压力的真空感应碳氮共渗都有效地提高了20CrMnTi钢的表面摩擦性能,其中当压力为-25 kPa时,耐磨性能最好,磨损速率最低,磨损速率为5.32E-07 cm3/min·N。