钢的渗碳和渗氮

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1、钢的渗碳-就是将低碳钢在具有丰富碳的介质中加热到高温(一般为900-950C),使活性碳原子渗入钢的外表,以获得高碳的渗层组织。随后经淬火和低温回火,使外表具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力,而心部仍保持足够的强度和韧性。 渗碳钢的化学成分特点 :(1)渗碳钢的含碳量一般都在0.15-0.25范围内,对于重载的渗碳体,可以提高到0.25-0.30,以使心部在淬火及低温回火后仍具有足够的塑性和韧性。但含碳量不能太低,否那么就不能保证一定的强度。 (2)合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性,细化晶粒,强化固溶体,影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织。在渗碳钢中通常参加的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、

2、硼等。 常用渗碳钢可以分碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类。 (1)碳素渗碳钢中,用得最多的是15和20钢,它们经渗碳和热处理后外表硬度可达56-62HRC。但由于淬透性较低,只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件,如轴套、链条等。 (2)低合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高,可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件,如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等。 (3)中合金渗碳钢如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和较高的强度及韧性,主要用以制造截面较大、承载较重、受力复杂的零件,如航空发动

3、机的齿轮、轴等。 固体渗碳 ;液体渗碳 ;气体渗碳-渗碳温度为900-950C,外表层w(碳)为0.8-1.2,层深为0.5-2.0mm。 渗碳后的热处理-渗碳工件实际上应看作是由一种外表与中心含量相差悬殊码复合材料。渗碳只能改变工件外表的含碳量,而其外表以及心部的最终强化那么必须经过适当的热处理才能实现。渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火。淬火的目的是使在外表形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织。低温回火温度为150-200C 。 渗碳零件考前须知: (1)渗碳前的预处理正火-目的是改善材料原始组织、减少带状、消除魏氏组织,使外表粗糙度变细,消除材料流线不合理状态。正火工艺;用860

4、-980C空冷。 (2)渗碳后需进行机械加工的工件,硬度不应高于30HRC。 (3)对于有薄壁沟槽的渗碳淬火零件,薄壁沟槽处不能先于渗碳之前加工。 (4)不得用镀锌的方法防渗碳。 防止渗碳方法： (1)加大余量法-在不需要渗碳的部位预先留出一定的加工余量,其留量比渗碳层深度大一倍以上。渗碳后先车去渗碳层再转淬火。 (2)镀铜法-在不需渗碳的部位电镀一层0.02-0.04mm的铜,铜层要致密,不得暴露原金属。 (3)涂料法-在不需渗碳的部位涂上防渗涂料。 (4)工装法-自制专用工装,把不需渗碳的部位封闭密封。 钢的渗氮-(强化渗氮;抗蚀渗氮)使氮原子渗入钢的外表,形成富氮硬化层的一种化学热处理工

5、艺。与渗碳相比，渗氮处理后零件具有:高的硬度和耐磨性,高的疲劳强度,较高的抗咬合性,较高的抗蚀性,渗氮过程在钢的相变温度以下(450-600C)进行,因而变形小,体积稍有胀大。缺点是周期长(一般气体渗氮土艺的渗氮时间长达数十到100h)、本钱高、渗层薄(一般为0.5mm左右)而脆,不能承受太大问接触应力和冲击载荷。 渗氮用钢-从理论上讲,所有的钢铁材料都能渗氮。但我们只将那些适用可渗氮处理并能获得满意效果的钢才称为渗氮用钢。凡含有Cr、Mo、V、Ti、Al等元素的低、中碳合金结构钢、工具钢、不锈钢(不锈钢渗氮前需去除工件外表的钝化膜,对不锈钢、耐热钢可直接用离子氮化方法处理)、球墨铸铁等均可进

6、行渗氮。 渗氮后零件虽然具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度,但只是外表很薄的一层(铬钼铝钢于500-540C经35-65h渗氮层深只达0.3-0.65mm) 。必须有强而韧的心部组织作为渗氮层的坚实基底,才能发挥渗氮的最大作用。总的来看,大局部渗氮零件是在有摩擦和复杂的动载荷条件下工作的,不管外表和心部的性能都要求很高。 如果用碳钢进行渗氮,形成Fe4N和Fe2N较不稳定。温度稍高,就容易聚集粗化,外表不可能得到更高的硬度,并且其心部也不能具有更高的强度和韧性。 为了在外表得到高硬度和高耐磨性,同时获得强而韧的心部组织,必须向钢中参加一方面能与氮形成稳定氮化物,另外还能强化心部的合金元素。如A

7、l、Ti、V、W、Mo、Cr等,均能和氮形成稳定的化合物。其中Cr、W、Mo、V还可以改善钢的组织,提高钢的强度和韧性。 目前专门用于渗氮的钢种是38CrMoAlA,其中铝与氮有极大的亲和力,是形成氮化物提高渗氮层强度的主要合金元素。AlN很稳定,到约1000C的温度在钢中不发生溶解。由于铝的作用使钢具有良好的渗氮性能,此钢经过渗氮外表硬度高达1100-1200HV(相当67-72HRC)。38CrMoAlA钢脱碳倾向严重,各道工序必须留有较大的加工余量。 对高硬度、高耐磨性要求的氮化件,不宜选用碳钢和一般合金钢。 对以提高抗蚀性能为主的氨化件可选用碳钢和一般合金钢。 渗氮零件考前须知: (1

8、)渗氮前的预备热处理调质-渗氮工件在渗氮前应进行调质处理,以获得回火索氏体组织。调质处理回火温度一般高于渗氮温度。 (2)渗氮前的预备热处理去应力处理-渗氮前应尽量消除机械加工过程中产生的内应力以稳定零件尺寸。消除应力的温度均应低于回火温度,保温时间比回火时间要长些,再缓慢冷却到室温。断面尺寸较大的零件不宜用正火。工模具钢必须采用淬火回火,不得用退火。 (3)渗氮零件的外表粗糙度Ra应小于1.6um,外表不得有拉毛、碰伤及生锈等缺陷。不能及时处理的零件须涂油保护,以免生锈。吊装入炉时再用清洁汽油擦净以保证清洁度。 (4)含有尖角和锐边的工件,不宜进行氮化处理。 (5)局部不氮化部位的保护,不宜

9、用留加工余量的方法。 (6)外表未经磨削处理的工件,不得进行氮化。 防止渗氮方法 (1)镀锡法-在防渗外表镀10-15um的锡层,防渗层太薄那么效果差,厚了又容易使锡漫流。 (2)涂料法-将锡粉、铅粉、氧化铬粉以3:1:1比例混匀,用氯化锌浴液调成稀糊状涂于零件防渗外表,或用水玻璃(质量分数为10-15)和石墨粉(质量分数为85-90)调成糊状涂刷后,缓慢烘干。 (3)工装法-自制专用工装,把不需渗氮的部位封闭密封。 渗氮后的零件,工作外表即能获得高硬度,一般情况下不再进行其他加工,因此常是最后一道工序(氮化后的工件至多再进行精磨或研磨加工)。可得到600-1200HV的外表硬度,耐磨性很高。

10、这一高硬度可保持引500C(长期),甚至600C(短期),疲劳极限可提高30-300,抗蚀性能也得到提高。 钢的碳氮共渗-就是将碳、氮同时渗入工件表层的化学热处理过程(加热温度高于临界温度Ac1或Ac3 ,不宜高于900C,以吸收碳原子为主)。兼有两者的长处,这种工艺有逐步代替渗碳的趋势。主要优点如下: (1)渗层性能好-共渗层比渗碳层的耐磨性和疲劳强度更高,比渗氮层有更高的抗压强度和较低的外表脆性。 (2)渗入速度快-由于氮的渗入不仅降低了渗层的临界点,同时还增加了碳的扩散速度。 (3)变形小-碳氮共渗温度比渗碳低,晶粒不会长大,适宜于直接淬火,可以减小变形。 (4)不受钢种的限制-各种钢铁

11、材料都可以进行碳氮共渗。但是,由于碳氮共渗零件的渗层较薄,为了提高心部强度,因而多项选择用含碳较多的钢;对于要求外表高硬度、高耐磨性的零件，常采用40Cr , 40CrMo ,40CrNiMo , 40CrMnMo等中碳合金结构钢。 碳氮共渗的缺点是共渗层较薄,易产生黑色组织。 渗氮又称氮化，指使氮原子渗入钢铁工件表层内的化学热处理工艺，其目的是提高零件外表硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被零件吸收后在其外表形成氮化层，同时向心部扩散。氮化通常利用专门设备或井式渗氮炉来进行。气体渗氮在年左右，由德国人首度研究开展并加以工业化，目前渗氮从理论到工艺

12、都得到迅速开展并日趋完善，适用的材料和工件也日益扩大。由于经渗氮处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、耐高温性、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性，与渗碳工艺相比，渗氮温度比拟低，因而工件畸变小，已成为重要的化学热处理工艺之一，广泛应用于机械、冶金和矿山等行业的齿轮、凸轮、曲轴、工具、冷作模具、热作模具等零件和产品的外表处理。 一、氮化常用材料 传统的合金钢材料中的铝、铬、钒及钼元素在渗氮过程中，与初生态的氮原子接触时，就能生成安定的氮化物，尤其是钼元素，不仅是生成氮化物元素，还能降低在渗氮时所产生的脆性。其他合金钢中的元素，如镍、铜、硅、锰等，对渗氮

13、特性并无多大的帮助。一般而言，如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素，氮化后的效果比拟良好。其中铝是最强的氮化物元素，含有铝的渗氮结果最正确，如果有足够的铬含量，亦可得到很好的效果，没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适合作为渗氮钢。 二、渗氮过程控制 渗氮前的零件外表清洗 通常使用气体去油法去油后立刻渗氮 排除渗氮炉中的空气 将被处理零件置于渗氮炉中，并将炉盖密封后即可加热，但加热至以前须作排除炉内空气工作。排除炉内空气的主要目的是使参与渗氮处理的气体只有氨气和氮气两种气体，防止氨气分解时与空气接触而发生爆炸性气体，及防止被处理零件及支架的外表氧化。 氨的分解率 渗氮是其它

14、合金元素与初生态的氮接触而进行初生态氮的产生，由氨气与加热中的零件接触时零件本身成为触媒而促进氨的分解，虽然在各种分解率的氨气下，皆可渗氮，但一般都采用的分解率，并按渗氮所需厚度保持小时，处理温度保持在左右。 冷却 大部份的工业用渗氮炉都有热交换机，在渗氮工作完成后冷却加热炉及被处理零件。即渗氮完成后，将加热电源关闭，使炉温降低约，然后将氨的流量增加一倍后开启热交换机，此时须注意确认炉内压力为正压。等候导入炉中的氨气安定后，即可减少氨的流量至保持炉内正压为止，当炉温下降至以下时，方可启开炉盖。 三、渗氮工艺路线 锻造退正火粗加工调质处理精加工磨或研磨渗氮 备注：由于渗氮层较薄，在要求有较高强度

15、的心部组织时，需先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量 四、常用渗氮方式 气体渗氮 气体渗氮一般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的外表硬度。渗氮后工件外表硬度可达。气体参氮可采用一般渗氮法即等温渗氮或多段二段、三段渗氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变，温度一般在之间，氨气分解率为，保温时间近小时。这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同温度、不同氨分解率、不同保温时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近小时，能获得较深的渗层，但这样渗氮温度较高，畸变较大。

16、还有以抗蚀为目的的气体渗氮，渗氮温度在之间，保温小时，氨分解率为，工件表层可获得化学稳定性高的化合物层，防止工件受湿空气、过热蒸汽、气体燃烧产物等的腐蚀。 离子渗氮 又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。把金属工件作为阴极放入含氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮氢原子被电离，在阴阳极之间形成等离子区，在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件外表轰击，离子的高动能转变为热能，加热工件外表至所需温度。由于离子的轰击，工件外表产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件外表。 离子渗氮最重要的特点之一是可以通过控制渗氮气氛的组成、气压、电参数、温度等因素来控制外表化

17、合物层俗称白亮层的结构和扩散层组织，从而满足零件的服役条件和对性能的要求。 氮碳共渗 又称软氮化或低温碳氮共渗，即在铁氮共析转变温度以下，使工件外表在主要渗入氮的同时也渗入碳，碳渗入后形成的微细碳化物能促进氮的扩散，加快高氮化合物的形成，这些高氮化合物反过来又能提高碳的溶解度，碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。此外，碳在氮化物中还能降低脆性。 常用的氮碳共渗方法有液体法和气体法，处理温度，保温时间小时。早期的液体盐浴用氰盐，以后又出现多种盐浴配方。常用的有两种：中性盐通氨气和以尿素加碳酸盐为主的盐，但这些反响产物仍有毒。气体介质主要有：吸热式或放热式气体加氨气，尿素热分解气，滴注含碳、氮的有机

18、溶剂，如甲酰胺、三乙醇胺等。 各种渗氮方法的工艺性比拟详见下表 五、常见渗氮缺陷及其原因 硬度偏低 生产实践中，工件渗氮后其外表硬度有时达不到工艺规定的要求，轻者可以返工，重者那么造成报废。造成硬度偏低的原因通常有： 设备方面：如系统漏气造成氧化。 材料方面：如材料选择不合理。 前期热处理：如基体硬度太低，外表脱碳严重等。 工件预处理不彻底：如进炉前的清洁方式及清洁度。 工艺方面：如渗氮温度过高或过低，时间短或氮浓度缺乏等等。 硬度和渗层不均匀 主要原因有： 装炉方式不合理。 气压调节不当。 渗氮处理期间温度不均匀。 炉内气流不合理。 渗氮后零件变形过大 变形是难以防止的，对易变形件，采取以下

19、措施，有利于减小变形： 渗氮前应进行稳定化处理。 渗氮过程中的升、降温速度应缓慢。 保温阶段尽量使工件各处的温度均匀一致，对变形要求严格的工件，在工艺范围内，尽可能采用较低的氮化温度。 外观颜色有差异 不同材质的零件经渗氮处理后外表颜色是略有区别的，零件出炉后首先用肉眼检查外观质量，钢件经渗氮处理后外表通常呈银灰蓝黑色色或暗灰色蓝黑色，钛及钛合金件外表应呈金黄色。 脉状氮化物 氮化特别是离子氮化易出现脉状氮化物，即扩散层与外表平行走向呈白色波纹状的氮化物。其形成机理尚无定论，一般认为与合金元素在晶界偏聚及氮原子的扩散有关。因此，控制合金元素偏聚的措施均有利于减轻脉状氮化物的形成。工艺参数方面，渗氮温度越高，保温时间越长，越易促进脉状组织的形成，如工件的棱角处，因渗氮温度相对较高，脉状组织比其它部位严重得多。