钢的渗碳和渗氮

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1、钢的渗碳和渗氮钢 的 渗 碳 和 渗 氮钢的渗碳-就是将低碳钢在富碳的介质中加热到高温(一般为 900-950C),使活性碳原 子渗入钢的表面,以获得高碳的渗层组织。随后经淬火和低温回火,使表面具有高的硬度、 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, 否则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。在渗碳钢中通常加

2、入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、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表面硬度可达 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

3、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,表面层 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表面与中心含量相差悬殊码复合 材料。渗碳只能改变工件表面的含碳量,而其表面以及心部的最终强化则必须经过适当的热 处理才能实现。渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火。淬火的目的是使在表面形成高碳 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 渗碳零件注意事项: (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

4、除魏氏组织,使表 面粗糙度变细,消除材料流线不合理状态。正火工艺;用 860-980C 空冷、179-217HBS(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

5、。钢的渗氮-(强化渗氮;抗蚀渗氮)使氮原子渗入钢的表面,形成富氮硬化层的一种化学 热处理工艺。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)、成本高、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

6、、不锈钢(不锈钢渗氮前需去除工件表面的钝化膜,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,但只是表面很薄的一层(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,大部分渗氮零件是在有摩擦和 复杂的动载荷条件下工作的,不论表面和心部的性能都要求很高。如果用碳钢进行渗氮,形成 Fe 4N 和 Fe 2N 较不稳定。温度稍高,就容易聚集粗化,表面 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

7、了在表面得到高硬度和高耐磨性,同时获得强而韧的心部组织,必须向钢中加入一方 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 Al、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,此钢经过渗氮表面硬度高达 1100-1200HV(相当 67- 72HRC)。38CrMoAlA 钢脱碳倾向严重,各道工序必

8、须留有较大的加工余量。一般零件 表面耐磨 20Cr冲击载荷下的零件 表面耐磨、心部刚性强 18Cr2Ni4WA重载荷下的零件 表面硬度、心部强度都较高 40Cr冲击和重载荷下的零件 表面耐磨、心部韧性、强度都高 30CRNiMoA精密零件 表面硬度、心部强度都高 38CrMoAlA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。渗氮零件注意事项:(1)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

9、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)渗氮零件的表面粗糙度 Ra 应小于 1.6um,表面不得有拉毛、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,不宜用留加工余量的方法。(5)表面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-在防渗表面镀 10-15um 的锡层,防渗层太薄则效果差,厚了又容易使锡漫 流。(2)涂

10、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 于零件防渗表面,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,工作表面即能获得高硬度,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 的表面硬度,耐 磨性很高。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

11、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 度和较低的表面脆性。(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,因而多选用含碳较多门钢,w(c)可达 0.5;对于要求表面高硬 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。