氮化處理核心技術(shù)

氮化虛理技荷M^?氮在1923年左右，由德閾人Fry首度研究畿展亞加以工棠化。由於經(jīng)本法虔理裂品具備侵巽耐磨，性、耐疲勞，性、耐食剽生及耐高溫，其雁用簸圉逐漸撅大。例如鱗&取螺^攻、撈摩模、摩鰭模、鍛摩檄用鍛造模、螺梓、速梓、曲酬吸兼及排氟苛耳及窗輸凸輸?shù)染惺褂谩Ｒ?、氮化用^筒介僖統(tǒng)合金^料中之鋁、金各、飆及金目元素封滲氮甚有甯助。是些元素在滲氮溫度中，典初生熊氮原子接)！畤，就生成安定氮化物。特別是金目元素，不僵作舄生成氮化物元素，亦作舄減少在滲氮溫度畤所畿生脆性。其她合金^中元素，如金臬、導(dǎo)同、矽、金孟等，瑩寸滲氮特生亞照多大甯助。普通而言，如果^料中具有一彳重或多彳重氮化物生成元素，氮化彳爰效果比重交良好。其中鋁是最弓鼠氮化物元素，具有0.8廠1.既鋁滲氮結(jié)果最佳。在含金各導(dǎo)各^而言，如果有足豹含量，亦可得到較好效果。但沒有含合金碳金時因其生成滲氮屑很脆，容易剝落，不遒合伙舄滲氮金冏。普通慣用滲氮金冏有六彳重如下：含鋁元素低合金ffl(^??氮金船含金各元素中碳低合金^SAE41004300,5100,6100,8600,8700,9800系。H13熟作模具金冏(含的5%之導(dǎo)各)SAEH11(SKD-61)H12,H13肥粒^及麻田散^系不繇金冏 SAE4裁奧斯田^系不繇金冏 SAE3(系析出硬化型不繇^17-4PH7-7PH,A-286等含金邵票率滲氮金帆在氮化彳爰堇隹可得到很高硬度及高耐磨表屑，但其硬化屑亦很脆。相艮含金各低合金^硬度物氐，但硬化屑即比重交有韌性，其表面亦有相富耐磨性及耐束心性。因而避用材料畤，宜注意材料之特徵，充分運用其侵黑&俾符合零件之功能。至於工具金冏如H11(SKD61)D2(SKD-11)，即有高表面硬度及高心部弓鼠度。二、氮化虔理技彳桁：志周^彳爰零件，在滲氮虔理前硝澈底清洗乾凈，茲將涉及清洗滲氮工作程序分述如下：滲氮前零件表面清洗大某些零件，可以使用兼髓去油法去油彳爰立即滲氮。但在滲氮前之最彳爰加工辦法若探用拋光、研磨、磨光等，即也許走生阻碇滲氮表面屑，致使?jié)B氮彳爰，氮化屑不均勻或畿生鷺曲等缺陷。此畤宜探用下列二彳重辦法之一去除表面屑。第一彳重辦法在滲氮前一方面以兼髓去油。然彳爰使用氧化鋁粉將表面作abrasivecleaning第二彳重辦法即將表面加以磷酸皮膜虔理(phosphatecoating滲氮燧排除空兼將被虔理零件置於滲氮燧中，亞^?S密封彳爰即可加熟，但加熟至150C此前硝作燧內(nèi)排除空兼工作。排除燧內(nèi)重要功用是防止氨兼分解畤典空兼接蠲而畿生爆炸，性兼髓，及防止被虔理物及支架表面氧化。其所使用兼髓即有氨兼及氮M二fflo排除燧內(nèi)空兼要鎮(zhèn)如下：被虔理零件裝妥彳爰將燧盍封好，^始通照水氨兼，其流量盈量也許多。將加剝虐之自重力溫度控制言殳定在150C亞耕臺加熟(注意燧溫不能高於150C)。ffi中之空兼排除至10%如下，或排出之兼髓含90%以上之NH3畤，再將燧溫升高至滲氮溫度。氨分解率滲氮是導(dǎo)甫及其她合金元素典初生熊氮接N蜀而逵行，但初生熊氮走生，即因氨兼典加熟中^料接ffiKffl料自身成舄I!媒而促逵氨之分解。堇隹然在各彳重分解率氨兼下，皆可滲氮，但普通皆探用15-30%分解率，亞按滲氮所需厚度至少保持4一10小畤，虔理溫度即保持在520C左右。)令劄大部份工棠用滲氮燧皆具備熟交換畿，以期在滲氮工作完畢彳爰加以急速）令劄加熟燧及被虔理零件。即滲氮完畢彳爰，將加熟雷源辱冒^,使燧溫減少的50C，然彳爰將氨流量增長一倍彳爰^始啟攵^熟交換檄。此畤硝注意^察接在排兼管上玻璃瓶中，與否有兼泡溢出，以碓言忍燧內(nèi)之正摩。等待^入燧中氨兼安定彳爰，即可）成少氨流量至保持燧中正摩舄止。富燧溫下降至150C如下畤，雖然用前面所述之排除燧內(nèi)兼髓法，毒入空兼或氮兼彳爰方可ffi^SSo三、兼髓氮化技彳桁：兼髓氮化系於1923年由德閾AFry所畿表，將工件置於燧內(nèi)，利NH3兼直接B?500—550C氮化燧內(nèi)，保持20—100小畤，使NH3兼分解舄原子狀熊（N）M^（H）M而逵行滲氮虔理，在使金冏表面走生耐磨、耐腐食蟲之化合物屑舄重要目，其厚度的舄0.02—0.02m/m，其，性^檀硬Hv1000-1200，又檀脆，NH3之分解率視流量大小典溫度高低而有所改燮，流量愈大劇」分解度愈低，流量愈小劇」分解率愈高，溫度愈高分解率愈高，溫度愈低分解率亦愈低，NH3兼在570C畤經(jīng)熟分解如下：NH3f〔N〕Fe+2/3H2經(jīng)分解出來N，隨而撅散逵入金冏表面形成。相Fe2-3NM^＞氮，普通缺黑占舄硬化屑薄而氮化虔理畤^辰。兼髓氮化因分解NH逵行滲氮效率低，故普通均固定避用遒用於氮化之金冏3彳重，如具有Al，Cr，Mo等氮化元素，否劇」氮化畿照法逵行，普通使用有JIS、SACM1新JIS、SACM645及SKD61以弓鼠朝化虔理又?^§因Al,Cr,Mo等皆舄提高燮熊黑占溫度之元素，故淬火溫度高，回火溫度亦重交普通之橫造用合金^高，此乃在氮化溫度辰畤^加熟之^,畿生回火脆，性，故予^先施以志同^弓鼠朝化虔理。NH3兼髓氮化，因舄畤^辰表面粗糙，硬而重交脆不易研磨，并且畤^辰不經(jīng)潸，用於塑膝射出形檄送料管及螺旋梓氮化。四、液髓氮化技彳桁：液郵氮化重要不同是在氮化舞之有Fe廣相，F(xiàn)e’Nr相存在而不含F(xiàn)e2NE相氮化物，E相化合物硬脆在氮化虔理上是不良於朝性氮化物，液髓款氮化辦法是將被虔理工件，先除繇，脫脂，予^熟彳爰再置於氮化坩墻內(nèi)，坩搗內(nèi)是以TF-1舄主獸蒯，被加溫到560—600C虔理敷分至敷小畤，依工件所受外力^荷大小，而）夬定氮化屑深度，在虔理中，必硝在坩搗底部通入一支空兼管以一定量之空兼氮化獸蒯分解舄CN或CNO,滲透撅散全工作表面，使工件表面最外屑化合物8~9%wtN及少量C及撅散屑，氮原子撅散入a-Fe基地中使^件更具耐疲勞性，氮化期^由於CNO之分解消耗，因此不新要在6一8小畤虔理中化KSS成分，以便志周整空兼量或加入新SSo液髓款氮化虔理用材料舄^金屠，氮化彳爰表面硬度以具有Al，Cr，Mo,Ti元素者硬度重交高，而其含金量愈多而氮化深度愈藻，如炭素^Hv350—650,不繇ffilHv1000—1200，氮化ffi|Hv800—1100。液髓款氮化遒用於耐磨及耐疲勞等汽聿零件，縫衣檄、照相檄等如兼缸套虔理，兼凹^虔理、活塞筒虔理及不易燮形模具虔。探用液髓款氮化閾家，西歐各閾、美閾、蕨俄、日本、臺灣。五、雕子氮化技彳桁：此一辦法舄將一工件放置於氮化燧內(nèi)，予^先將燧內(nèi)抽成真空建10-2—10-3Torr伽偵恩入『髓或N2+H2之混合^，艘燧雕1—10Torr，將燧髓接上陛檀，工件接上陪檀，麗檀^通以敷百伏之直流雷摩，此畤燧內(nèi)之N2M^^g生光輝放雷成正雕子，向工作表面移重加在瞬^??Bfi急圜」下降，使正雕子以高速彳覲向陪檀表面，將重力能^燮舄M能，使得工件去面溫度得以上昇，因氮雕子彳覲擎彳爰將工件表面打出Fe.C.O.等元素弛^出來典氮雕子^合成FeN，由此氮化^逐漸被吸附在工件上而走生氮化作用，雕子氮化在基本上是探用氮M，但若添加碳化氫系M髓劇」可作雕子款氮化虔理，但普通^?ffi子氮化虔理，工件表面氮M澧度可改燮燧內(nèi)充填混合M髓(N2+H「分摩比志同筋得之，^雕子氮化畤，在工作表面得罩相r，(Fe4N)角圍哉含N量在5.7一6.1%wt，厚屑在10un以內(nèi)，此化合物屑弓鼠朝而非多孔^屑，不易脫落，由於氮化^不新被工件吸附亞撅散至內(nèi)部，由表面至內(nèi)部角圍哉即舄FeNfFe2N-Fe3NfFe4NJI慎序燮化，罩相e(Fe3N)含N量在5.7一11.0%wt，罩相E(Fe2N)含N量在11.0—11.35%wt，離隹子氮化一方面生成了相再添加碳化氫M系畤使其燮成e相之化合物S^?散屑，由於撅散屑增長封疲勞弓鼠度增長有諸多助。而食蟲性以e相最佳。雕子氮化虔理度可雀350C^始，由於考慮到材^及其相^檄械性^避用虔理畤^可由敷分會童以致於辰畤^虔理，本法典遏去運用熟分解方化孥反雁而氮化虔理法不同，本法系運用高雕子能之故，遏去言忍舄纂隹虔理不8ffl.tt.ffi等材料也能筒罩施以侵秀表面硬化虔理。離子氮化在實際應(yīng)用中，遇到問題：?難以解決體積較大零件，這是由于為得到輝光放電(離子體)和避免弧光須保證最短問題?難以對形狀尺寸差別大零件放在一起混合解決?難以解決形狀復(fù)雜零件?不也許解決帶孔/小直徑零件?幾乎不也許較好地解決鑄鐵件舍舍夫(SURSULF)工藝技術(shù)則對零件體體氮化在實際應(yīng)用上，遇到問題：?合用于鋼制零件,但不能較好解決鑄鐵，特別不適合解決那些具備游離石墨鑄鐵?形成￡相和Y'相混合化合層(Y'相含量取決于鋼材成分鋼中合金元素越少,Y'相占比例越大)?可以得到表面化合層深12um,擴散層深達(dá)0.2mm到0.6mm?導(dǎo)致解決零件變形極大?滲層均勻性不好?表面硬度值低舍舍夫(SURSULF)工藝技術(shù)則具備如下長處：?由于鹽化學(xué)成分，能解決所有鋼和鑄鐵件?舍舍夫(SURSULF)工藝形成￡相單相層，因而不脆(它具備良好表面抗疲勞強度),與氣體氮化生成Y'+￡混合相相比具備更好抗磨性能和耐腐蝕性能?解決四、六缸曲軸幾乎不變形,可滿足普通高精度零部件氮化規(guī)定滲層均勻性極佳?表面硬度高，有很高耐磨性?化合層深度可達(dá)15~25um以上，擴散層深度可達(dá)0.3~0.8mm以上?解決沖壓模壽命比氣體氮化提高3~10倍?表面硬而不脆，不易剝落，整體性極好鋼化學(xué)熱解決-軟氮化為了縮短氮化周期，并使氮化工藝不受鋼種限制，在近年間在原氮化工藝基本上發(fā)展了軟氮化和離子氮化兩種新氮化工藝。軟氮化實質(zhì)上是以滲氮為主低溫氮碳共滲，鋼氮原子滲入同步，尚有少量碳原子滲入，其解決成果與普通氣體氮化相比，滲層硬度較氮化低，脆性較小，故稱為 軟 氮 化。1、 軟氮化辦法分為：氣體軟氮化、液體軟氮化及固體軟氮化三大類。當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛是氣體軟氮化。氣體軟氮化是在具有活性氮、碳原子氛圍中進(jìn)行低溫氮、碳共滲，慣用共滲介質(zhì)有尿素、甲酰胺、氨氣和三乙醇胺，它們在軟氮化溫度下發(fā)生熱分解反映，產(chǎn)生活性氮、碳原子?；钚缘⑻荚颖还ぜ砻嫖?，通過擴散滲入工件表層，從而獲得以氮為主氮碳 共 滲 層。氣體軟氮化溫度慣用560-570°C，因該溫度下氮化層硬度值最高。氮化時間常為2-3小時，由于超過2.5小時，隨時間延長，氮化層深度增長很慢。2、 軟氮化層組織和軟氮化特點：鋼經(jīng)軟氮化后，表面最外層可獲得幾微米至幾十微米白亮層，它是由￡相、Y'相和含氮滲碳體Fe3（C，N）所構(gòu)成，次層為擴散層，它重要是由Y'相和￡相構(gòu)成。軟氮化具備如下特點：(1)、解決溫度低，時間短，工件變形小。（2）、不受鋼種限制，碳鋼、低合金鋼、工模具鋼、不銹鋼、鑄鐵及鐵基粉未冶金材料均可進(jìn)行軟氮化解決。工件經(jīng)軟氮化后表面硬度與氮化工藝及材料關(guān)于。3、 能明顯地提高工件疲勞強度、耐磨性和耐腐蝕性。在干摩擦條件下還具備抗擦傷和抗咬合等性能。4、 由于軟氮化層不存在脆性&相，故氮化層硬而具備一定韌性，不容易剝落。因而，當(dāng)前生產(chǎn)中軟氮化巳廣泛應(yīng)用于模具、量具、刀具（如：高速鋼刀具）等、曲軸、齒輪、氣缸套、機械構(gòu)造件等耐磨工件解決。本頁所在位置：第2章金屬材料組織和性能控制>>2.4鋼熱解決>>2.4.5鋼化學(xué)熱解決2.4.6鋼熱解決新技術(shù)為了提高零件機械性能和表面質(zhì)量，節(jié)約能源，減少成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，以及減少或防止環(huán)境污染等，發(fā)展了許多熱解決新技術(shù)、新工藝?？煽胤諊鸁峤鉀Q在爐氣成分可控制爐內(nèi)進(jìn)行熱解決稱為可控氛圍熱解決把燃料氣(天然氣、都市煤氣、丙烷)按一定比例空氣混合后，通入發(fā)生器進(jìn)行加熱，或者靠自身燃燒反映而制成氣體。也可用液體有機化合物(如甲醇、乙醇、丙酮等)滴入熱解決爐內(nèi)所得到氛圍，用于滲碳、碳氮共滲、軟氮化、保護(hù)氛圍淬火和退火等。真空熱解決在真空中進(jìn)行熱解決稱為真空熱解決。它涉及真空淬火、真空退火、真空回火和真空化學(xué)熱解決等。真空熱解決具備如下長處：可以減少變形在真空中加熱，升溫速度很慢，工件變形小?？梢詢艋砻嬖诟哒婵罩?，表面氧化物、油污發(fā)生分解，工件可得光亮表面，提高耐磨性、疲勞強度。防止工件表面氧化。脫氣作用有助于改進(jìn)鋼韌性，提高工件使用壽命。離子滲擴熱解決1-真空容器；2-直流電源；3-測溫裝置系統(tǒng)；4-真空泵；5-滲劑氣體調(diào)節(jié)裝置；6-待解決工件

離子滲擴示意圖離子氮化

離子氮化所用介質(zhì)普通為氨氣，壓強保持在1.3x102?1.3xL03Pa，溫度為500°C?560°C,滲層為Fe2N、Fe4N等氮化物，具備很高耐磨性、耐蝕性和耐疲勞性。離子氮化長處：滲速是氣體滲氮3?4倍。滲層具備一定韌性。解決后變形小，表面銀白色，質(zhì)量好。能量消耗低，滲劑消耗少，對環(huán)境幾乎無污染。離子滲氮可用于輕載、高速條件下工作需要耐磨耐蝕零件及精度規(guī)定較高細(xì)長桿類零件，如鏜床主軸，精密機床絲杠、閥桿、閥門等。離子氮碳共滲+離子滲硫復(fù)合解決先進(jìn)行離子氮碳共滲，介質(zhì)為氨氣+丙酮蒸汽，共滲溫度為530C?580C，后再進(jìn)行離子滲硫。W18Cr4V鋼經(jīng)復(fù)合解決后，次表層為Fe2-3(N,C)化合物層，表層重要由FeS、Fe3S4構(gòu)成。由于硫化物具備自潤滑性能，因而減少了摩擦系數(shù)，同步表面硫化物存在還提高了工件抗咬合性能。次表層高硬度氮碳化合物具備很W18Cr4V鋼離子氮碳共滲+離子滲硫復(fù)合解決滲層組織高耐磨性，因而這種復(fù)合滲層抗摩耐磨性好，適于模具、刃具表面解決，以提高它們使用壽命。W18Cr4V鋼離子氮碳共滲+離子滲硫復(fù)合解決滲層組織三.碳氮共滲碳氮共滲就是同步向零件表面滲入碳和氮化學(xué)熱解決工藝，也稱氤化。普通采用高溫或低溫兩種氣體碳氮共滲。低溫碳氮共滲以氮為主，實質(zhì)為軟氮化。高溫碳氮共滲工藝將工件放入密封爐內(nèi)，加熱到共滲溫度830°C?850°C，，向爐內(nèi)滴入煤油，同步通以氨氣，經(jīng)保溫1h?2h后，共滲層可達(dá)0.2mm?0.5mm。高溫碳氮共滲重要是滲碳，但氮滲入使碳濃度不久提高，從而使共滲溫度減少和時間縮

短。碳氮共滲后淬火，再低溫回火。碳氮共滲后機械性能共滲及淬火后，得到是含氮馬氏體，耐磨性比滲碳更好。共滲層具備比滲碳層更高壓應(yīng)力，因而疲勞強度更高，耐蝕性也較好。2.4.5鋼化學(xué)熱解決化學(xué)熱解決是將鋼件置于一定溫度活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它表面，變化其化學(xué)成分和組織，達(dá)到改進(jìn)表面性能，滿足技術(shù)規(guī)定熱解決過程。一.滲碳工藝為了增長表層碳含量和獲得一定碳濃度梯度，鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表面工藝稱為滲碳。將工件裝在密封滲碳爐中，加熱到900°C?950°C，向爐內(nèi)滴入煤油、苯、甲醇等有機液體，或直接通入煤氣、石油液化氣等氣體，通過化學(xué)反映產(chǎn)生活性碳原子，使鋼件表面滲碳。滲碳使低碳(0.15?0.30%)鋼件表面獲得高碳濃度(約1.0%)。氣體滲碳爐氣體滲碳裝置示意圖氣體滲碳爐氣體滲碳裝置示意圖低碳鋼滲碳緩冷后顯微組織滲碳后熱解決直接淬火滲碳后直接淬火，由于滲碳溫度高，奧氏體晶粒長大，淬火后馬氏體較粗，殘存奧氏體也較多，因此耐磨性較低，變形較大。為了減少淬火時變形，滲碳后常將工件預(yù)冷到830°C?850°C后淬火。滲碳后熱解決示意圖一次淬火是在滲碳緩慢冷卻之后，重新加熱到臨界溫度以上保溫后淬火，心部組織規(guī)定高時一次淬火加熱溫度略高于A3O對于受載不大但表面性能規(guī)定較高零件，淬火溫度應(yīng)選用Ac1以上30C?50C，使表層晶粒細(xì)化，而心部組織無大改進(jìn)，性能略差某些。二次淬火對于機械性能規(guī)定很高或本質(zhì)粗晶粒鋼，應(yīng)采用二次淬火。第一次淬火是為了改進(jìn)心部組織，加熱溫度為*3以上30C?50C。第二次淬火是為細(xì)化表層組織，獲得細(xì)馬氏體和均勻分布粒狀二次滲碳體，加熱溫度為*1以上30C?50C。滲碳、淬火后進(jìn)行低溫(150C?200C)回火，以消除淬火應(yīng)力和提高韌性。鋼滲碳、淬火、回火后性能：①表面硬度高，達(dá)58HRC?64HRC以上，耐磨性較好；。心部韌性較好，硬度較低，可達(dá)30?45HRC。②疲勞強度高。表層體積膨脹大，心部體積膨脹小，成果在表層中導(dǎo)致壓應(yīng)力，使零件疲勞強度提高。二.火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是用乙炔一氧或煤氣一氧等火焰加熱工件表面，進(jìn)行淬火?；鹧婕訜岜砻娲慊鸷透哳l感應(yīng)加熱表面淬火相比，具備設(shè)備簡樸，成本低等長處。但生產(chǎn)率低，零件表面存在不同限度過熱，質(zhì)量控制也比較困難。因而重要合用于單件、小批量生產(chǎn)及大型零件（如大型齒輪、軸、軋輥等）表面淬火。火焰加熱表面淬火示意圖.4.4鋼表面熱解決僅對鋼表面加熱、冷卻而不變化其成分熱解決工藝稱為表面熱解決，也叫表面淬火。一.感應(yīng)加熱表面熱解決感應(yīng)加熱基本原理感應(yīng)線圈中通以交流電時，即在其內(nèi)部和周邊產(chǎn)生一與電流相似頻率交變磁場。若把工件置于磁場中，則在工件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，并由于電阻作用而被加熱。由于交流電集膚效應(yīng)，接近工件表面電流密度大，而中心幾乎為零。工件表面溫度迅速升高到相變點以上，而心部溫度仍在相變點如下。感應(yīng)加熱后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液噴射淬火，淬火后進(jìn)行180-200°C低溫回火，以減少淬火應(yīng)力，并保持高硬度和高耐磨性。感應(yīng)加熱表面淬火 感應(yīng)加熱表面淬火示意圖表面淬火普通用于中碳鋼和中碳低合金鋼，如45、40Cr、40MnB鋼等。用于齒輪、軸類零件表面硬化，提高耐磨性。感應(yīng)加熱表面熱解決特點：(1)高頻感應(yīng)加熱時，鋼奧氏體化是在較大過熱度(Ac3以上80C-150C)進(jìn)行，因而晶核多，且不易長大。表面層淬得馬氏體后，由于體積膨脹在工件表面層導(dǎo)致較大殘存壓應(yīng)力，明顯提高工件疲勞強度。因加熱速度快，沒有保溫時間，工件氧化脫碳少。此外，由于內(nèi)部未加熱，工件淬火變形也小。加熱溫度和淬硬層厚度(從表面到半馬氏體區(qū)距離