钢的氮化

2019-07-0208:45:46钢的氮化已关闭评论

钢的氮化是向钢的表面层渗入氮原子以提高表层的硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性的化学热处理工艺,也称为渗氮。

1)气体氮化

这种方法是向井式炉中通入氨气,利用氨气受热分解来提供活性氮原子,反应如下:

2NH3 ===3H2+ 2[N]

由于氨的分解在200℃以上开始,铁素体对氮有一定的溶解能力,所以氮化温度不高,不超过钢的A1温度(550~570℃)。因此,氮化件的变形很小,比渗碳及表面淬火的变形小得多。

应用最广泛的氮化用钢是38CrMoAl钢,钢中Cr,Mo,Al等合金元素在氮化过程中形成高度弥散、硬度极高而且非常稳定的氮化物,如CrN,MoN,AlN等。氮化后工件表面硬度达1 100~1 200 HV(相当于72 HRC左右),具有很高的耐磨性,因此钢在氮化后,不需要再进行淬火处理。

弥散的氮化物加热到600℃也不聚集粗化,这时钢的硬度仍有850~870 HV(相当于65 HRC左右),从而使钢有很好的热韧性。氮原子的渗入,使工件表层体积胀大,在氮化层内形成残余压应力,因而疲劳强度大大提高,通常可提高25%~30%。另外,氮化层表面形成一层致密的氮化物,使钢具有很高的耐蚀能力。因此氮化主要用于耐磨性和精度均要求很高的零件,如镗床主轴、精密传动齿轮等。

由于氮化层很薄,一般不超过0.60~0.70 mm,因此氮化往往是加工工艺路线中最后一道工序,氮化后至多再进行精磨或研磨。另外在氮化之前,应先进行调质处理,获得回火索氏体组织,以提高心部的性能,同时为了减少在氮化中的变形,在切削加工后,一般需要进行消除应力的高温回火。

对氮化处理的零件,在设计图纸上应注明氮化层表面硬度、厚度、氮化区域、心部硬度。重要的零件还应提出对心部的机械性能、金相组织及氮化层脆性等方面的具体要求。

氮化的主要缺点是生产周期长,例如要得到0.3~0.5 mm得渗层,常常需要20~50 h,因此成本高。另外,氮化层较脆,不能承受冲击。工件上不需要氮化的部分可采用镀铜或镀锡保护,也可留出加工余量,氮化后再磨去。

由于氮化存在以上缺点,并需要专门的氮化钢,使其应用受到一定限制,所以目前国内外又发展了一些新的氮化工艺。

2)离子氮化

这种方法是在真空度为13.332~0.013 332 Pa的真空容器内,通入氨气或氮、氢混合气体,保持气压为133.32~1 333.2 Pa,以真空容器为阳极,工件为阴极,在两极之间加400~700 V直流电压,迫使电离后的氮正离子高速冲击工件(阴极),使其渗入工件表面,并向内扩散形成氮化层。

离子氮化的优点是氮化时间短,仅为气体氮化的1/2~1/5;氮化层质量好,脆性低、省电、省氨气、无公害、操作条件好。缺点是零件形状复杂或截面悬殊时很难同时达到同一的硬度和深度。

3)气体软氮化

软氮化是在500~570℃的温度下,向钢的表面层同时渗入碳、氮原子的过程。由于共渗温度较低,它实质上是以渗氮为主的碳氮共渗过程,共渗层深度可达0.02~0.06 mm,又称为低温气体碳氮共渗。

共渗介质常用尿素,尿素受热分解提供活性炭、氮原子,即

(NH22 CO —→CO+ 2H2+ 2[N]

2CO —→CO2+[C]

与气体氮化相比,其渗层硬度较低,脆性较小,故称为软氮化。软氮化具有处理温度低,时间短(为气体氮化时间的1/3~1/4),工件变形小的特点,而且不受钢种限制,碳钢、合金钢、铸铁以及粉末冶金材料均可进行软氮化处理,达到提高耐磨性、疲劳强度和耐蚀性的目的。高速钢经气体软氮化后能大幅度提高刀具与模具的使用寿命。

工件经气体软氮化后一般多采用快冷(碳钢工件水冷,合金钢工件油冷),但对于变形要求严格的工件,应缓慢冷却。

4)气体碳氮共渗

这种方法是在炉中滴入煤油的同时,再向炉中通氨气。在820~860℃的温度下,煤油与氨气除了单独进行前述的渗碳和氮化作用外,它们相互间还可发生如下化学反应而提供活性炭、氮原子:

CH4+ NH3 ===HCN+ 3H2

CO+ NH3 ===HCN+ H2O

2HCN ===H2+ 2[C]+ 2[N]

由于共渗温度较高,它是以渗碳为主的碳氮共渗的过程。因此处理后要进行淬火和低温回火。共渗层深度一般为0.3~0.8 mm,共渗层表面组织由细片状回火马氏体、适量的粒状碳氮化合物以及少量的残余奥氏体组成。

气体碳氮共渗所用的钢大多为中低碳钢和合金钢如20CrMnTi等。气体碳氮共渗与渗碳相比,具有处理温度低、时间短、生产效率高、变形小、淬透性好和耐磨性高等优点,正获得越来越广泛的应用。目前主要用来处理汽车和机床齿轮、涡轮、蜗杆和轴类零件等。

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