鋼的氮化

2019-07-0208:45:46鋼的氮化已關(guān)閉評(píng)論

鋼的氮化是向鋼的表面層滲入氮原子以提高表層的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度及耐蝕性的化學(xué)熱處理工藝,也稱為滲氮。

1)氣體氮化

這種方法是向井式爐中通入氨氣,利用氨氣受熱分解來(lái)提供活性氮原子,反應(yīng)如下:

2NH3?。剑剑?H2+ 2[N]

由于氨的分解在200℃以上開(kāi)始,鐵素體對(duì)氮有一定的溶解能力,所以氮化溫度不高,不超過(guò)鋼的A1溫度(550~570℃)。因此,氮化件的變形很小,比滲碳及表面淬火的變形小得多。

應(yīng)用最廣泛的氮化用鋼是38CrMoAl鋼,鋼中Cr,Mo,Al等合金元素在氮化過(guò)程中形成高度彌散、硬度極高而且非常穩(wěn)定的氮化物,如CrN,MoN,AlN等。氮化后工件表面硬度達(dá)1 100~1 200 HV(相當(dāng)于72 HRC左右),具有很高的耐磨性,因此鋼在氮化后,不需要再進(jìn)行淬火處理。

彌散的氮化物加熱到600℃也不聚集粗化,這時(shí)鋼的硬度仍有850~870 HV(相當(dāng)于65 HRC左右),從而使鋼有很好的熱韌性。氮原子的滲入,使工件表層體積脹大,在氮化層內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力,因而疲勞強(qiáng)度大大提高,通??商岣?5%~30%。另外,氮化層表面形成一層致密的氮化物,使鋼具有很高的耐蝕能力。因此氮化主要用于耐磨性和精度均要求很高的零件,如鏜床主軸、精密傳動(dòng)齒輪等。

由于氮化層很薄,一般不超過(guò)0.60~0.70 mm,因此氮化往往是加工工藝路線中最后一道工序,氮化后至多再進(jìn)行精磨或研磨。另外在氮化之前,應(yīng)先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,獲得回火索氏體組織,以提高心部的性能,同時(shí)為了減少在氮化中的變形,在切削加工后,一般需要進(jìn)行消除應(yīng)力的高溫回火。

對(duì)氮化處理的零件,在設(shè)計(jì)圖紙上應(yīng)注明氮化層表面硬度、厚度、氮化區(qū)域、心部硬度。重要的零件還應(yīng)提出對(duì)心部的機(jī)械性能、金相組織及氮化層脆性等方面的具體要求。

氮化的主要缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期長(zhǎng),例如要得到0.3~0.5 mm得滲層,常常需要20~50 h,因此成本高。另外,氮化層較脆,不能承受沖擊。工件上不需要氮化的部分可采用鍍銅或鍍錫保護(hù),也可留出加工余量,氮化后再磨去。

由于氮化存在以上缺點(diǎn),并需要專門的氮化鋼,使其應(yīng)用受到一定限制,所以目前國(guó)內(nèi)外又發(fā)展了一些新的氮化工藝。

2)離子氮化

這種方法是在真空度為13.332~0.013 332 Pa的真空容器內(nèi),通入氨氣或氮、氫混合氣體,保持氣壓為133.32~1 333.2 Pa,以真空容器為陽(yáng)極,工件為陰極,在兩極之間加400~700 V直流電壓,迫使電離后的氮正離子高速?zèng)_擊工件(陰極),使其滲入工件表面,并向內(nèi)擴(kuò)散形成氮化層。

離子氮化的優(yōu)點(diǎn)是氮化時(shí)間短,僅為氣體氮化的1/2~1/5;氮化層質(zhì)量好,脆性低、省電、省氨氣、無(wú)公害、操作條件好。缺點(diǎn)是零件形狀復(fù)雜或截面懸殊時(shí)很難同時(shí)達(dá)到同一的硬度和深度。

3)氣體軟氮化

軟氮化是在500~570℃的溫度下,向鋼的表面層同時(shí)滲入碳、氮原子的過(guò)程。由于共滲溫度較低,它實(shí)質(zhì)上是以滲氮為主的碳氮共滲過(guò)程,共滲層深度可達(dá)0.02~0.06 mm,又稱為低溫氣體碳氮共滲。

共滲介質(zhì)常用尿素,尿素受熱分解提供活性炭、氮原子,即

(NH22 CO —→CO+ 2H2+ 2[N]

2CO —→CO2+[C]

與氣體氮化相比,其滲層硬度較低,脆性較小,故稱為軟氮化。軟氮化具有處理溫度低,時(shí)間短(為氣體氮化時(shí)間的1/3~1/4),工件變形小的特點(diǎn),而且不受鋼種限制,碳鋼、合金鋼、鑄鐵以及粉末冶金材料均可進(jìn)行軟氮化處理,達(dá)到提高耐磨性、疲勞強(qiáng)度和耐蝕性的目的。高速鋼經(jīng)氣體軟氮化后能大幅度提高刀具與模具的使用壽命。

工件經(jīng)氣體軟氮化后一般多采用快冷(碳鋼工件水冷,合金鋼工件油冷),但對(duì)于變形要求嚴(yán)格的工件,應(yīng)緩慢冷卻。

4)氣體碳氮共滲

這種方法是在爐中滴入煤油的同時(shí),再向爐中通氨氣。在820~860℃的溫度下,煤油與氨氣除了單獨(dú)進(jìn)行前述的滲碳和氮化作用外,它們相互間還可發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)而提供活性炭、氮原子:

CH4+ NH3?。剑剑紿CN+ 3H2

CO+ NH3 ===HCN+ H2O

2HCN?。剑剑紿2+ 2[C]+ 2[N]

由于共滲溫度較高,它是以滲碳為主的碳氮共滲的過(guò)程。因此處理后要進(jìn)行淬火和低溫回火。共滲層深度一般為0.3~0.8 mm,共滲層表面組織由細(xì)片狀回火馬氏體、適量的粒狀碳氮化合物以及少量的殘余奧氏體組成。

氣體碳氮共滲所用的鋼大多為中低碳鋼和合金鋼如20CrMnTi等。氣體碳氮共滲與滲碳相比,具有處理溫度低、時(shí)間短、生產(chǎn)效率高、變形小、淬透性好和耐磨性高等優(yōu)點(diǎn),正獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前主要用來(lái)處理汽車和機(jī)床齒輪、渦輪、蝸桿和軸類零件等。