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渗碳渗氮的作用及于碳氮共渗的区别

发布时间:2020-08-26

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渗碳是对金属表面处理的一种,采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢,具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中,加热到900--950摄氏度的单相奥氏体区,保温足够时间后,使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层,从而获得表层高碳,心部仍保持原有成分. 相似的还有低温渗氮处理。这是金属材料常见的一种热处理工艺,它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度,提高其耐磨程度。
    渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层,再经过淬火和低温回火,使工件的表面层具有高硬度和耐磨性,而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。
   渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。渗碳后,钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火,以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度,并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性,使工件能承受冲击载荷。渗碳工艺普遍用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。
   渗碳后必须进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。工件渗碳淬火后的表层显微结构主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物,心部结构为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的结构,但应避免出现铁素体。一般渗碳层深度范围为0.8~1.2毫米。深度渗碳时可达2毫米或更深。表面硬度可达HRC58~63,心部硬度为HRC30~42。渗碳淬火后,工件表面产生压缩内应力,对提高工件的疲劳强度有利。因此渗碳被普遍用以提高零件强度﹑冲击韧性和耐磨性,借以延长零件的使用寿命。
    按含碳介质的不同,渗碳可分为固体渗碳﹑液体渗碳﹑气体渗碳和碳氮共渗;
渗氮:
    渗氮是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中,通以流动的氨气并加热,保温较长时间后,氨气热分解产生活性氮原子,不断吸附到工件表面,并扩散渗入工件表层内,从而改变表层的化学成分,获得较好的表面性能。如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散,则称为氮碳共渗。常用的是气体渗氮和离子渗氮。
   渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁,一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物,特别是氮化铝、氮化铬。这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度,因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力,并降低缺口敏感性。与渗碳工艺相比,渗氮温度比较低,因而畸变小,但由于心部硬度较低,渗层也较浅,一般只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求,或有一定耐热、耐腐蚀要求的机器零件,以及各种冷作和热作模具等。渗氮有多种方法,常用的是气体渗氮和离子渗氮。
气体渗氮:
   一般以提高金属的耐磨性为主要目的,因此需要获得高的表面硬度。它适用于38CrMoAl等渗氮钢。渗氮后工件表面硬度可达HV850~1200。渗氮温度低,工件畸变小,可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件,如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。但由于渗氮层较薄,不适于承受重载的耐磨零件。
   气体参氮可采用一般渗氮法(即等温渗氮)或多段(二段、三段)渗氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。温度一般在480~520℃之间,氨气分解率为15~30%,保温时间近80小时。这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件,但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同温度、不同氨分解率、不同时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近50小时,能获得较深的渗层,但这样渗氮温度较高,畸变较大。
    还有以抗蚀为目的的气体渗氮,渗氮温度在 550~700℃之间,保温0.5~3小时,氨分解率为35~70%,工件表层可获得化学稳定性高的化合物层,防止工件受湿空气、过热蒸汽等的腐蚀。
    正常的气体渗氮工件,表面呈银灰色。有时,由于氧化也可能呈蓝色或黄色,但一般不影响使用。
离子渗氮
    又称辉光渗氮,是利用辉光放电原理进行的。把金属工件作为阴极放入通有含氮介质的负压容器中,通电后介质中的氮氢原子被电离,在阴阳极之间形成等离子区。在等离子区强电场作用下,氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击。离子的高动能转变为热能,加热工件表面至所需温度。由于离子的轰击,工件表面产生原子溅射,因而得到净化,同时由于吸附和扩散作用,氮遂渗入工件表面。
与一般的气体渗氮相比,离子渗氮的特点是:
①可适当缩短渗氮周期;
②渗氮层脆性小;
③可节约能源和氨的消耗量;
④对不需要渗氮的部分可隐藏起来,实现局部渗氮;
⑤离子轰击有净化表面作用,能去除工件表面钝化膜,可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮。
⑥渗层厚度和成分可以把控。
离子渗氮发展迅速,已用于机床丝杆、齿轮、模具等工件。
软氮化:
    低温氮碳共渗又称软氮化,即在铁-氮共析转变温度以下,使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳。碳渗入后形成的微细碳化物能促进氮的扩散,加快高氮化合物的形成。这些高氮化合物反过来又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。此外,碳在氮化物中还能降低脆性。氮碳共渗后得到的化合物层韧性好,硬度高,耐磨,耐蚀,抗咬合。
    常用的氮碳共渗方法有液体法和气体法。处理温度530~570℃,保温时间1~3小时。早期的液体盐浴用氰盐,以后又出现多种盐浴配方。常用的有两种:中性盐通氨气和以尿素加碳酸盐为主的盐,但这些反应产物仍有害。气体介质主要有:吸热式或放热式气体(见可控气氛)加氨气;尿素热分解气;滴注含碳、氮的有机溶剂,如甲酰胺、三乙醇胺等。
氰化:
    氰化cyaniding,指高温碳氮共渗 (早期的碳氮共渗是在有害的氰盐浴中进行)。由于温度比较高,碳原子扩散能力很强,所以以渗碳为主, 形成含氮的高碳奥氏体,淬火后得到含氮高碳马氏体。由于氮的渗入促进碳的渗入, 使共渗速度较快,保温4~6h可得到0.5~0.8mm的渗层,同时由于氮的渗入,提高了过冷奥氏体的稳定性,加上共渗温度比较低,奥氏体晶粒不会粗大,所以钢件碳氮共渗后可直接淬油,渗层成分为细针状的含氮马氏体加碳氮化合物和少量残余奥氏体。碳氮共渗层比渗碳层有更高的硬度、耐磨性、抗蚀性、弯曲强度和接触疲劳强度。但一般碳氮共渗层比渗碳层浅,所以一般用于承受载荷较轻,要求高耐磨性的零件
    氮碳共渗不仅能提高工件的疲劳寿命、耐磨性、抗腐蚀和抗咬合能力,而且使用设备简单,易操作,时间短和工件畸变小,有时还能给工件以美观的外表。 
辉光离子氮化
一、优势:渗氮时间短,质量容易把控,氮化层耐疲劳、有高强度,由于氮化温度在520-540,所以工件变形小,表面抗磁性高。
二、缺点:设备把控复杂,炉温均匀性不好。
a、渗氮脆性检验 
级别    渗氮层脆性级别说明
1       压痕边角完整无缺
2       压痕一边或一角碎裂
3       压痕二边或二角碎裂
4       压痕三边或三角碎裂
5       压痕四边或四角碎裂
b、渗氮层脆性检验一般采用维氏硬度计,试验力10公斤,试验力的加载必须缓慢(在5-9S内完成),试验力加载完成后必须停留5-10S,然后卸载试验力,特殊情况也可采用5KG或者30KG试验力。
c、维氏硬度压痕在显微放大100倍下进行检查,每件至少测3点,其中两点以上处于相同级别时,才能定级。否则需重新检验。
d、渗氮层脆性应在零件工作部位或随炉试样的表面上检测,一般零件为1-3级为合格,重要零件1-2级为合格,对于渗氮后留有磨痕的零件,也可在磨去加工余量后的表面上进行测定
e、经气体渗氮后的零件,必须进行检验。
渗氮前的处理
    在渗氮零件的整个制造过程中,渗氮往往是后面一道工序,至多再进行精磨或研磨。渗氮零件的工艺流程一般为:锻造→正火(退火)→粗加工→调质→精加工→去应力→精磨→渗氮→精磨→装配。
氮化前的预热处理包括正火(退火)、调质处理、去应力。
a.正火(退火),其目的是细化晶粒、降低硬度、除去锻造应力。
b.调质处理,可以改善钢的加工性能,获得均匀的回火索氏体成分,以保证零件心部有足够的强度和韧性,同时又能使渗氮层和基本结合牢固。
c.去应力处理,对于形状复杂的精密零件,在渗氮前应进行1~2次去应力,以减少渗氮过程中的变形。

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