渗碳和氮化表面处理

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1、广笙 笋兹丫、渗碳和氮 化表面处理美国摘要渗碳和氮化这样的常规表面处理是机 为通用 的。它们不应被生产费用更 高的现代技 术所淹没。主题词表面热处理渗碳氮化随着年代末年代初在许多热化学标准值以下稍许减少表层含碳量可以改善疲表面处理方面重新激起的应用氮基气氛系统劳强度。提高表层的含碳量可以提高抗滑动的兴趣过去之后,这方面的学术活动已经减磨损性能,采用冷处理能使所产生的残留奥少了,这促进了更为奥秘的激光与等离子表氏体转变成马 氏体。例如一家拖拉机制造厂面处理技术的发展。这种在环保方面有吸引商需要 的一种具有高 硬度和耐 磨表面的力的技术将不断发展是不容置疑的,但其昂渗碳凸轮轴含碳,镍贵的费用对比常

2、规 的扩散热处理,目前只能,铬,钥,其表面含碳量使其用于适当的产品。而常规的热处理,根据为纬。这种处理降低了使零件表层中的全种类,从渗碳至氮化仍然是 目前工 业部 门所部奥氏体都转变成马 氏体的温度,并在采用的最主要的表面处理 方式,其整个潜力表面产生了的残 留奥氏体,然后这种部还有待于挖掘,这无疑是值得进一步研究的。件再进行冷处理以便使奥 氏体转变。该工艺稍微思考一下,就 明白,当应用现代化的产生 了一种过共析马 氏体,因此表面硬度高控制设备和现成的经过充分试用和试验的技达“而不 会产生不理想的脆性网状碳化术能生 产低成 本高质量的产品时,应用代价物昂贵的新技术似乎是可笑的了。如果需要提高抗

3、磨性,则 可进一步提高表面的含碳量,将零部件在较低温度下淬火,渗碳二二二二二。二,。,。恤 ,肠狱使表面产生 一种硬而脆的碳化铁网状 组织。渗碳是指碳只渗入表面层。该工艺通常然后,再加热和淬火,使该网状组织球化和再用于低碳钢和低合金钢,以使其能在某个较硬化,以在马 氏体基体上产生碳化铁耐磨层。软和较韧的芯部周围形成厚的耐磨表面 层。就以合适 的成本使成品部件具有较厚的必须注意,如为了使很薄的部位不失去芯部耐磨层和抗疲劳表面而论,渗碳工艺具 有无的韧性,这种渗碳层就不宜太厚。渗碳层厚达可匹敌的竞争能力。该工艺应用于许多有可,淬 火 表面硬 度达是 有 可 能能变形的部件是不成问题 的,同 时凭借

4、良好的。在一范围内回火,通常可提的设计便于控制,在使用前无需再进行任何高表面韧性和疲劳强度,同时会降低表面硬处理。这就是该工艺在现代工业应用中,特别度和耐磨性。是在汽车工业领域得到广泛应用的原因。对低合金钢渗碳的标准作法是进行充分氮碳共渗的碳扩散,以使表面产生尽可能高的硬度。在国外机车车辆工艺年冲在碳氮共渗中,有一些氮伴随着碳一道扩散进入工件的表层之中。用渗氮方法可产生额外的可硬化性,即对单独 用渗碳解决不了问题的中碳钢也可以产生硬的表面层。这意 味着设 计工程师只须稍作工艺改变即可利用比在另外的情况下所用的材料更为廉价的材料。标准的作法是使碳和氮充分扩散以获取最佳 的表面硬度。尽管采用渗碳处

5、理能产生上述变化,但对于高应力的部件,其芯部强度通常不够,因此很少应用。这种受局限的应用意味着渗入的表面深度一般不超过。奥氏体的氮碳共渗奥氏体和铁素体的氮碳共渗层都是以形成一种薄的一拜一拌。氮化铁的表面层为特征的。这种表面层所具有的某些特性使从事表面处理 的工程师很感兴趣。极 好的 抗磨 损、抗擦伤和抗咬合性能。对于单独用于抗腐蚀的某些 应用场合具有极好的抗腐蚀性能。良好的润滑保持性能。即这种化合层在工艺过程中留下了一定数量的能储存润滑剂的微孔。具有根 据材 料 的成分 改善疲劳强 度的特性。收入氮化工艺中的计算机控制氮碳共渗的最新研究表明 现已能使受控化 合层的形 态与化学性能更为精确,以获

6、取某种特殊材料和特殊用途的最佳性能。这种表面层可制成 致 密 的抗磨损层、多孔 的抗腐蚀层或无孔的改善疲劳性能的表面层。此外,该表面层还 可以某种控制方式 进行氧化,以产生 一种有吸 引 力的无光泽黑 色表面而进一步提高其抗腐蚀性能。由此表明在大 多数情况下,采用后氧化处理 的气体氮碳共渗表面的抗腐蚀性能比磷化和油浸的表面更好,也比镀锌表面更好,但次于钝化的镀福表面。但应 当注意 的是这种后处理工艺降低了疲劳强度。这方面的应用例子有一种用铝脱氧的低碳钢制造的传动机构 的操纵杆。采用氮碳共渗和氧化工艺后提高了其强度和抗腐蚀性能。在奥氏体氮碳共渗工艺中,扩散进表面的氮的比例因氮碳共渗而会增加,在

7、化合层外形成了一种高含氮 量 的扩 散层一般经的处理后达到。淬火之后,这种表面层完全由残余奥氏体构成,这种残余奥氏体必须用冷处理或回火工艺使之转变。冷处理层具有 最高的硬度和抗 磨损性能,而回火层则有较好的韧性。这种处理通常应用于 中碳钢较厚 的扩散层,在运用 中对薄化合层起支承作用。氮、碳的来源与渗人为获得理想的性能,试验 中的热 化学处理都是在精加工的表面层或近于精加工的部件上进行渗碳和或渗氮的。用于大多数处理的碳来源于一种气体状态的碳氢化合物。但是,碳在钢的表层的转 移机理 因处理技术的不 同而各异。最 普 通和 最有 效 的方 式是在以下时借助于一氧化碳和氢气。其化学反应的过程很复杂,

8、但可概括为方程式和 ,此处表示基体所吸收的碳“ 这表明在有效的生产性渗碳处理中,一氧化碳的含量必须超过。处理温度在以上时,则有 可能是通过一氧化碳或直接通过碳氢化合物的分解来转变的。由于处理温度对于渗碳部件芯部的影 响和易产生积碳 的作用,这种处理 方法几乎是不用的。对 于表面不但有需要渗碳 的,而且在某些处理中也有需要去碳的。借助于直接加入水蒸汽至 只含有作 为反应物 的氢气氛中,方程式也可用于去碳这一 目的。当然,如方国外机车车辆工艺年附程式 和所示,在 同时含 有一氧化碳和氢作 为反应物 的气氛中间接利用水 蒸气时,也有可能起到去碳的作用。在以上两种方法中,应当谨慎地确保有足够的还原剂,

9、以保证整个气氛能足以还原至基体的成分。“如果氮需被处理金属所吸收,则它 应 当是新生态的形式。在大多数情况下,氮气可以作为惰性气体来考虑,同时必须寻求一种氮的可替换源。最为常用的新生氮的来源是氨的分解物。在高温中氢渐渐地与氮原子分离,最后会留下新生 态 的氮原子如 方程 式【 所示。如果没有被金属所吸收,它会很快地与另一个氮原子相结合而形成一个氮分子这种反应也可反过来用于从表面层中去氮。铁素体的氮碳共渗除了在厚度范围较薄的端部其性能趋于下降之外,在铁素体氮碳共渗中所 形成 的化合层在无任何碳扩 散的情况 下就 能产生这种化合层具有与奥氏体处理 中那样的相同的性能。渗层 一般经的处理之后达到的特

10、 性 是随所处 理 的材料而变化的。对于中碳钢来说,因受扩散的氮的影响,具有某些铁素体的边界硬化。但是,如果所要处理的材料含有如铝、铬、铂和钒等氮化物形成元素,氮化物在扩渗区形成,使硬度上升到。除了提高了耐磨性之外,这种处理还可以使这些材料的疲劳强度提高。下述应用方面的例子可证实采用这种工艺所获 得的许多 有益 的性能 汽车座 上的滑板一般是用低 碳 钢制作并 喷漆的,在 连 续 的组装过程 中,使用 了很多的油脂。如果这种 油脂被司机或旅客粘上,那是非常脏的。用于往复移动的滑道的硬化钢球会在轨道上产生压痕,尽管这在任何手动调节中是无关紧要 的。然而,现在一般都改为装配 电动的调 节座子,轨道

11、上 的任何压痕对于座子调节的平稳性都会产生很大的影响,此外,该滑板现在被用作安全装置的固定支座,因此须有一定的强度。滑板及相关的滚柱轨道 的形状是很重要 的,常规的高温表面硬化工艺会产生不合格的变形,此外,还需要有一层最终的表面镀层,以满足抗腐蚀的需要。通过控制工艺参数,在一个热处理期内,能使基体获得其所要求的硬度,从而获得由滚柱轴承所致 的抗压痕能力并提高屈服强度。加上一种耐磨的表面化 合层,便可获得抗腐蚀的完美 的发黑表面。这种热处理方法还可以应用于铝和钦合金,所形成的表面氮化层具有良好的抗磨损性能。但是,无论是两种合金表面中的那一种,都不会形成任何 明显的辅助扩散层。渗氮在渗氮工艺中,只

12、是将氮渗入基体。该工艺取决于基体中所含起硬化作用的氮化物,它能使表面硬度超过,如果氮势太高,表面就会形成一层脆性的氮化铁。这种表面层在使用前必须去掉,幸亏现代控制技术已能够 消除这一间题,通常经过处理之后,可获得深的渗氮层。采用该工艺,可以获得如同用化学气相沉积和物理气相沉积所具有的许多好的表面特性,而且 不需要 投资大量的硬件设备。由于它们明显具有某些独特的综合性能,故该工 艺在表面处理领 域应有它的一席之地。面对 飞速发展的高科技表面工程,这种已经在工 业方面应 用多年的工 艺不应被遗忘,但为了给各方面带来效益,该工艺还有待进一步地研究。综合层上面所详细介绍的处理方法只是从事表面处理 的设

13、计 工程师 们必须 掌握 的基本方国外机车车辆工艺年冲法不仅采用综合处理 以获得受益于两种方法的表面层是可能的,而且实施这种处理,使其性能介于两者之间也是可能的。例如柴 油机中有 一种用来传递从凸轮轴至油泵的传动力的垂直 传动齿轮,由于其所接触的面积很小,从 水平面 向垂直平面的高速旋转总是出现严重 的磨损问题,采用单一的渗碳处理或氮碳共渗都难于满足工况性能的要求,然而,所研究的整体硬化马 氏体表而用一个碳氮共渗工序所产生的 加上一个 取之形成的表面。层 用一种改进的奥氏体氮碳共渗处理法所产生的 的综合性能,既能使齿轮易于磨合,又使其有长久的耐磨性能。变形上面所列举 的 处 理 方 法,从典型

14、的渗碳温度下降至渗氮温度,由于随着温度的升高会增加变形,故在要求变形小时,应避免使用高的处理温度。采用铁素体处理法特别适用于小变形处理,因为其硬化作用是靠氮化物形成的,而 且还能避 免因淬火引起的额外变形实际的处理与气氛所有的处理都可以在井式炉中进行。但是,对于那些在处理后需要淬火的工件,最好采用带有保护气氛淬火的炉子,如常用的密封淬火炉,这样可避免氧化。这些处理方法 同时适合于各种类型的连续炉,如 网带炉、分批处理炉和 流态床式热处理炉。对 于那种需要碳转移的热处 理,所需 要的一氧化碳由甲醇的热裂提供。在热烈甲醇中再增加的氮作为载气。这样不仅可以降低 总成本和气氛的可燃性,而 且还可以减少

15、一氧化碳的含量和减少内部的氧化倾向。另外加入碳氢化合物 通常是用天然气或丙烷,可将这 种基本混合 气 体 的碳 势提高肠以上,或者加 入氧化剂通常是用空气或水蒸气以降低碳势。必要时加入氨气以产生氮源用于氮碳共渗一般加入量为,用于奥氏体氮碳共渗一般加人量为铁素体氮碳共渗和渗氮都不需要碳转移,故只使用氨。但是,铁素体氮碳共渗需要控制氮势,同时要加 入氧化剂以促进形成碳化铁层。加入氮一作 为稀释剂以控制氮势,同时一般还加入一氧化碳作为氧化剂。必要时氮化的气氛可使用氮或氢来控制氮势。应当注意用于这些工艺的所有气氛都是可燃性的,而有些气氛是 在低于其自身的点火温度下使用的。与所有的炉 内气氛一样,重要

16、的是 采取 必要 的措施,以确保气氛设备以安全的方式供气,同时炉子操作工也要确保其 自身及其它方面的安全。历来,来 自送抵现场 的冷 冻发生器 的纯氮是以液态贮存在真空绝热罐内的,使用之前这种液氮需先汽化。在上述处理工艺中,纯氮一般是用作载气和净化气体。近期的发展表明由于所用气氛的固有的高温反应性,现场发生的低纯度、低成本、非低温的氮可以使用而无损于处理工艺。使用这种氮源不但可以减少热处理 的成本,同时便于炉 子操 作工对所有气氛成份进行整体控制。结论应 用热化学处理工艺,在氮基气氛 中碳和氮扩散进零部件的表面。能够获得设计范围很广的表面。这些表面的特性能够并肯定可以解决现代表面工程中的许多问题而无需煞费苦心去修复和寻找费用高的替代技术。译 自美国,阴,一邹稳根 译吴兴方 校国外机车车辆工艺年冲