鋼的化學(xué)熱處理演示文檔

鋼的化學(xué)熱處理優(yōu)選鋼的化學(xué)熱處理11.1化學(xué)熱處理概述機(jī)械零件的失效和破壞，大多數(shù)都萌發(fā)在工件的表面層，特別在可能引起磨損、疲勞、金屬腐蝕、氧化等條件下工作的零件，其表面層的性能就顯得尤為重要。㈠化學(xué)熱處理的概念鋼的化學(xué)熱處理：是將鋼件置于特定的活性介質(zhì)中加熱保溫，使一種或幾種元素滲入鋼件表層，從而改變鋼件表層化學(xué)成分和組織，達(dá)到改進(jìn)表面性能，滿足技術(shù)要求的熱處理過程。3經(jīng)化學(xué)熱處理后的鋼件，實(shí)質(zhì)上可以認(rèn)為是一種特殊復(fù)合材料。經(jīng)化學(xué)熱處理后的鋼件滲入了合金元素的材料原始成分的鋼緊密的晶體型結(jié)合遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于電鍍等表面涂覆技術(shù)所獲得的心、表部之間的結(jié)合4㈡

化學(xué)熱處理的目的在表面形成高硬層在鋼件表面形成減磨、抗粘結(jié)薄膜在鋼件表面同時(shí)形成高硬層與抗粘或減磨薄膜提高零件的耐磨性提高零件的疲勞強(qiáng)度提高零件的抗蝕性提高零件的抗高溫氧化性⑴

提高零件的耐磨性目的有四5在表面形成高硬層在表面形成減磨、抗粘結(jié)薄膜在表面同時(shí)形成高硬層與抗粘或減磨薄膜鋼件滲碳淬火可獲得高碳M硬化表層；合金鋼件滲氮可獲得合金氮化物的彌散硬化表層。蒸汽表面處理產(chǎn)生的Fe3O4薄膜有抗粘結(jié)的作用，表面硫化獲得的FeS薄膜可兼有減磨與抗粘結(jié)的作用。近年來發(fā)展起來的多元共滲工藝，如氧氮共滲，硫氮共滲，碳氮硫氧硼五元共滲等。6化學(xué)熱處理方法表面硬化的優(yōu)勢(shì)提高表面硬度時(shí)，仍能保持心部處于較好的韌性狀態(tài)化學(xué)熱處理同時(shí)改變鋼件表層的化學(xué)成分與組織如果滲入元素選擇適當(dāng)能更好地解決鋼件硬化與其韌性的矛盾比表面淬火硬化方法的效果更好可獲得適應(yīng)零件多種性能要求的表面層7滲碳、滲氮、軟氮化和碳氮共滲等方法，都可使鋼零件在表面強(qiáng)化的同時(shí)，在零件表面形成殘余壓應(yīng)力，有效地提高零件的疲勞強(qiáng)度。⑵提高零件的疲勞強(qiáng)度鋼件滲鋁、滲鉻、滲硅后，與氧或腐蝕介質(zhì)作用形成致密、穩(wěn)定的Al2O3、Cr2O3、SiO2保護(hù)膜，提高抗蝕性及高溫抗氧化性。⑶提高零件的抗蝕性⑷提高零件的抗高溫氧化性例如滲氮可提高零件抗大氣腐蝕性能84）能獲得具有特殊性能的表面層3）經(jīng)濟(jì)效果好2）具有較好的工藝性1）不受工件幾何形狀的限制鋼的化學(xué)熱處理具有如下特點(diǎn)9不受工件幾何形狀的限制即任何幾何形狀復(fù)雜的工件經(jīng)過化學(xué)熱處理后，均可獲得沿其輪廓分布的均一的表面化學(xué)熱處理層具有較好的工藝性如開裂傾向較?。惶幚頊囟确秶^寬；對(duì)冷卻介質(zhì)的敏感性較小等等10經(jīng)濟(jì)效果好能獲得具有特殊性能的表面層廉價(jià)的鋼材經(jīng)化學(xué)熱處理后可獲得表面性能高的工件。經(jīng)化學(xué)熱處理的碳鋼件的表層性能不亞于同類合金鋼的性能。如耐腐蝕性、耐磨性等11㈢

化學(xué)熱處理的分類目前工業(yè)上廣泛使用的化學(xué)熱處理方法，就是在鋼件表面滲入一種或多種元素，即滲入法。根據(jù)所滲入的元素，可以將化學(xué)熱處理分為滲碳、滲氮、滲硫、滲硼、滲鋁、滲釩、滲鉻等。如果同時(shí)滲入兩種以上的元素，則稱之為共滲，如碳氮共滲、鉻硅鋁共滲等。鋼中滲入的元素，可能溶入鐵中形成固溶體，也可能與鐵形成某種化合物，總之滲入的元素與基體金屬之間具有相互作用。1213目前生產(chǎn)中最常用的化學(xué)熱處理是滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼和滲鋁等。㈣

化學(xué)熱處理的基本過程滲入法化學(xué)熱處理的基本過程分解吸收擴(kuò)散鋼件周圍的介質(zhì)分解，以形成滲入元素的活性原子活性原子被鋼件吸收，其先決條件是活性原子能夠溶解于鋼件表層金屬中滲入原子在基體金屬中的擴(kuò)散，是化學(xué)熱處理得以進(jìn)行和獲得一定深度滲層的保證1411.2鋼的滲碳滲碳：就是將鋼件置于具有足夠碳勢(shì)的介質(zhì)中加熱到奧氏體狀態(tài)并保溫，使其表層形成一個(gè)富碳層的熱處理工藝。滲碳種類最常用常用氣體滲碳固體滲碳液體滲碳碳勢(shì)可控生產(chǎn)效率高勞動(dòng)條件好便于直接淬火等15滲碳用鋼：為低碳鋼及低碳合金鋼，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。滲碳的目的提高零件表層的含碳量提高表層硬度，增強(qiáng)零件的抗磨損能力同時(shí)保持心部的良好韌性主要用于那些對(duì)表面有較高耐磨性要求、并承受較大沖擊載荷的零件16氣氛的主要組成物都是CO、CO2、CH4、H2和H2O等5種氣體；其中CO和CH4起滲碳作用，其余的起脫碳作用。㈠滲碳原理⑴滲碳介質(zhì)的分解工業(yè)氣體滲碳方法的主要類型在爐中產(chǎn)生所需要的滲碳?xì)夥湛煽貧夥眨細(xì)浠衔餁怏w含碳的有機(jī)液體17在滲碳爐中，與滲碳有關(guān)的最主要反應(yīng)有如下四個(gè)在所供應(yīng)的原料氣氛組成穩(wěn)定的情況下，只要控制氣氛中微量的CO2、H2O、CH4或O2中的任何一個(gè)的含量，就可達(dá)到控制滲碳爐中碳勢(shì)的目的.18通常，生產(chǎn)中多采用露點(diǎn)儀來控制氣氛中的H2O含量；因?yàn)闅夥盏穆饵c(diǎn)與氣氛中的含水量具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即含水量越高、露點(diǎn)就越高；19生產(chǎn)中或者采用紅外線儀來控制CO2的含量；20或者采用氧探頭來控制氣氛中O2含量。無論采用上述哪種方法，都可以達(dá)到控制滲碳爐中滲碳?xì)夥仗紕?shì)的目的。在實(shí)際生產(chǎn)中，滲碳時(shí)間往往比較短，必須根據(jù)氣氛種類、表面碳含量要求、滲碳溫度和滲碳時(shí)間等因素確定出一個(gè)在不平衡情況下的合適碳勢(shì)，才能真正保證滲碳工件所需的表面含碳量；同時(shí)還需采用多參數(shù)控制法來減少碳勢(shì)控制的誤差。21工件表面必須清潔；爐氣需要具有良好的循環(huán)：活性碳原子被吸收后，剩下的CO2、H2或H2O等脫碳?xì)夥招枰患皶r(shí)排出；控制好分解和吸收兩個(gè)階段的速度，使之恰當(dāng)配合：如果分解速度大于吸收速度，將在工件表面形成積碳，從而影響吸收速度。⑵碳原子的吸收要使反應(yīng)生成的活性碳原子被鋼件表面吸收，必須滿足以下條件：22碳原子由表面向心部的擴(kuò)散，是滲碳得以進(jìn)行并獲得一定深度滲層的條件。擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是工件表面與心部的碳濃度梯度。碳在鐵中形成的是間隙式固溶體，其擴(kuò)散系數(shù)比形成置換式固溶體的合金元素要大很多。碳在γ-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)為:可見，溫度和碳濃度都影響碳的擴(kuò)散系數(shù)。⑶碳原子的擴(kuò)散23間隙原子的擴(kuò)散服從Fick第二定律，由該定律可以有下面一個(gè)關(guān)系式：因此，此式也就成為根據(jù)滲碳溫度和滲層深度來確定滲碳時(shí)間的依據(jù)。式中，d——滲碳層的深度

Ф——滲層深度因子，與滲碳溫度具有一定的關(guān)系

t——擴(kuò)散進(jìn)行的時(shí)間24主要是通過對(duì)碳的擴(kuò)散系數(shù)和滲層表面碳濃度的影響來實(shí)現(xiàn)的。通常地，Mn、Cr、Mo能略微增加滲層的深度，而W、Ni、Si等則減小滲層的深度。⑷

鋼中合金元素對(duì)滲碳過程的影響凡是碳化物形成元素如Ti、Cr、Mo、W及含量大于1％的V、Nb等，都增加滲層表面碳濃度；凡是非碳化物形成元素如Si、Ni、Al等，都降低滲層表面碳濃度。①對(duì)表面碳濃度的影響②對(duì)滲層深度的影響25㈡滲碳工藝參數(shù)滲碳前滲碳中滲碳后除去表面油污、銹斑或其它臟物；對(duì)不需要滲碳的局部加以防護(hù)；零件在料盤內(nèi)必須均勻放置?？刂茪夥盏奶紕?shì)、溫度和時(shí)間，以保證技術(shù)條件規(guī)定的表面碳含量、滲層深度和較平緩的碳濃度梯度。根據(jù)爐型選取適當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞竭M(jìn)行熱處理，以獲得預(yù)期的性能。26滲碳工藝參數(shù)氣氛的碳勢(shì)滲碳的溫度滲碳的時(shí)間27從統(tǒng)計(jì)資料看，一般滲碳件的表面碳含量可在0.6～1.1％之間變化。⑴氣氛碳勢(shì)的選擇與控制確定最佳表面含碳量的依據(jù)首先是獲得最高的表面硬度其次是滲碳層具有最高的耐磨性和抗磨損疲勞性能與鋼的成分密切相關(guān)滲碳層中具有適量的碳化物存在28滲碳零件表面碳含量低，淬火后低溫回火所得到的硬度低，耐磨性差；零件表面含碳量過高，滲碳層出現(xiàn)大量塊狀或網(wǎng)狀的碳化物，使脆性增加，易在承受沖擊負(fù)荷時(shí)剝落;因此，表面層含碳量最好在0.85～1.05％范圍內(nèi)。29滲碳溫度是滲碳工藝中最重要的一個(gè)因素，它影響著分解反應(yīng)的平衡、碳的擴(kuò)散、還影響著鋼中的組織轉(zhuǎn)變。由于奧氏體的溶碳能力較大，因此滲碳溫度必須高于Ac3溫度。⑵滲碳溫度滲碳溫度常用920～940℃，溫度愈高，滲速愈快，滲層愈深。但溫度過高會(huì)引起奧氏體晶粒長(zhǎng)大，降低零件的力學(xué)性能，增加零件畸變，降低設(shè)備使用壽命。30如δ＝0.3～0.6mm，可選為880±10℃；

δ＝0.6～0.8mm，可選用900±10℃；

δ＝0.8～1.2mm或以上，選用920±10℃。通常滲碳的溫度的選擇視要求的滲層深度確定：有的要求深層滲碳或縮短滲碳周期，可采用1030～1050℃；但必需采用細(xì)晶粒鋼、高溫滲碳鋼、或滲碳后再經(jīng)循環(huán)熱處理細(xì)化晶粒。31式中，t——時(shí)間(h)T——溫度(K)對(duì)幾種常用滲碳溫度的層深計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：一般地，由于擴(kuò)散緩慢，滲碳時(shí)間不需精確控制。滲層深度和滲碳溫度確定后，所需的滲碳時(shí)間可根據(jù)Harris公式進(jìn)行近似計(jì)算。⑶滲碳時(shí)間3233⑷工藝參數(shù)的綜合選擇由于各參數(shù)間相互影響較大，同時(shí)為了縮短滲碳的總時(shí)間，通常對(duì)各參數(shù)進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)：升溫階段高速滲碳階段擴(kuò)散階段預(yù)冷階段采用低碳勢(shì)在正常溫度或更高溫度下采用高于所需表面碳含量的碳勢(shì)，時(shí)間較長(zhǎng)在正常滲碳溫度下采用與所需表面碳含量相等的碳勢(shì)，時(shí)間較短使溫度降到淬火溫度，便于直接淬火處理。34㈢

固體滲碳和液體滲碳簡(jiǎn)介固體滲碳是將工件和固體滲碳劑裝入滲碳箱中，用蓋子和耐火泥封好，然后放在爐中加熱至900～950℃，保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間，得到一定厚度的滲碳層。⑴固體滲碳固體滲碳劑通常是一定粒度的木炭與10%左右的碳酸鹽（BaCO3或Na2CO3）的混合物。木炭提供滲碳所需要的活性碳原子，碳酸鹽起催化作用。

35而加入的催滲劑在高溫下會(huì)發(fā)生分解，放出的CO2與木炭發(fā)生反應(yīng)生成大量的CO，CO在鋼件表面分解，從而提供活性碳原子。因滲碳箱中的氧氣是有限的，因此通過2C+O2→2CO來獲得CO的量是有限的。

36固體滲碳的優(yōu)缺點(diǎn)適用于各種零件，尤其是小批量生產(chǎn)可使用各種普通加熱爐，設(shè)備費(fèi)用低滲后慢冷，工件硬度低，利于切削加工不適于淺滲碳層零件生產(chǎn)；表面碳含量很難精確控制；滲碳后不能直接淬火；滲碳時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)條件差。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)37⑵

液體滲碳液體滲碳就是在液體介質(zhì)中進(jìn)行的滲碳。有氰化物的鹽浴無氰化物的鹽浴在無氰化物的鹽浴中，滲碳的反應(yīng)如下：加熱介質(zhì)為NaCl和KCl，催滲劑為Na2CO3，供碳介質(zhì)為尿素和木炭粉38由液體滲碳的以上反應(yīng)可以看出：滲碳反應(yīng)仍然是鋼件表面的氣相反應(yīng)；原材料雖然無毒，但反應(yīng)的結(jié)果仍然使鹽浴中含有約0.5％的NaCN；鹽浴還具有一定的滲氮功能。加熱速度快生產(chǎn)效率高加熱均勻便于直接淬火易腐蝕工件碳勢(shì)調(diào)整幅度小且不易控制勞動(dòng)條件差等等優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)39滲碳層的組織過共析組織(P+Fe3CⅡ)共析組織(P)過渡區(qū)亞共析組織(P+F)原始亞共析組織(F+P)上述組織顯然不能滿足要求。滲碳后必須進(jìn)行熱處理，即進(jìn)行淬火和回火，對(duì)某些鋼種還包括冷處理。㈣滲碳后的熱處理40工件滲碳后熱處理的目的提高滲層表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性消除網(wǎng)狀滲碳體和減少殘A提高心部的強(qiáng)度和韌性細(xì)化晶粒⑴

滲碳后的淬火41原則上：過共析層的淬火溫度應(yīng)低于Accm

亞共析層的淬火溫度應(yīng)高于Ac3滲碳零件的淬火溫度選擇如果Accm﹥Ac3，就很容易選擇一個(gè)淬火溫度來同時(shí)滿足這兩者的要求；如果Accm﹤Ac3，則很難兩者同時(shí)兼顧，在這種情況下，要根據(jù)對(duì)零件的主要技術(shù)要求、鋼件心部能否淬透、滲碳后零件的表面碳含量和所采用的淬火方法等，綜合考慮而加以確定。要兼顧高碳的滲層和低碳的心部?jī)煞矫娴囊蟆?2①

直接淬火法直接淬火：是指工件滲碳后，隨爐降溫或出爐預(yù)冷到760－860℃后，直接淬火的熱處理工藝。隨爐降溫或出爐預(yù)冷的目的預(yù)冷的溫度要根據(jù)零件的要求和鋼的Ar1而定。減少淬火內(nèi)應(yīng)力與變形使高碳A析出一部分K，降低A中的碳濃度，從而減少淬火后殘A量，獲得較高的表面硬度43減少加熱和冷卻的次數(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低能耗及生產(chǎn)成本，還可減少零件變形及表面的氧化和脫碳。直接淬火的優(yōu)點(diǎn)：適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼制作的零件，不適用于本質(zhì)粗晶粒鋼制作的零件。另外，如果滲碳后表面碳濃度很高，則同樣不適宜于采用直接淬火，因?yàn)轭A(yù)冷時(shí)碳化物一般沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，使脆性增大。直接淬火適用范圍：44②重新加熱淬火工件在滲碳后冷卻到A完全轉(zhuǎn)變，可能轉(zhuǎn)變成P或M等組織。接著重新將它加熱到所希望的淬火溫度，然后淬火，這種方法可以得到晶粒較細(xì)的組織。45此外，也可以在二次加熱淬火中間安排一次回火，在最后淬火加熱之前可以進(jìn)行一些切削加工；為了避免重復(fù)加熱引起太大的變形，對(duì)于形狀易于變形的工件，可規(guī)定進(jìn)行一次或幾次預(yù)熱。46二次加熱淬火對(duì)于高溫（980~1050℃）滲碳工件是必不可少的。因?yàn)楦邷貪B碳后奧氏體晶粒粗大，故第一次淬火溫度通常高于心部的Ac3，而第二次淬火溫度在滲層的Ac1～Accm之間。經(jīng)過二次淬火后，奧氏體晶粒可以得到充分細(xì)化，表層碳化物可變成粒狀，殘余奧氏體量減少，疲勞強(qiáng)度顯著提高。但二次加熱淬火的成本高、周期長(zhǎng)、易脫碳變形，故極少采用。47滲碳零件在淬火后，緊接著于150～250℃之間進(jìn)行回火處理。對(duì)于非合金鋼，回火溫度一般為150～l80℃；對(duì)于合金鋼，回火溫度一般為160～200℃。經(jīng)過這種回火處理，可降低組織應(yīng)力，并且在最外層保持有利的壓應(yīng)力；此外，回火改善了滲碳淬火零件的可磨削性，降低了磨削裂紋敏感性。在150～250℃之間回火，硬度的最多降低5HRC，大多降低1～3HRC。⑵

回火48⑶

冷處理目的在于減少或消除殘A，從而適當(dāng)提高滲碳層的硬度。冷處理既提高了生產(chǎn)成本，又增加了生產(chǎn)工序，目前除特殊滲碳工件外，一般都很少采用這道冷處理工序。49㈤滲碳層深度的測(cè)量目前滲層深度的測(cè)量方法有：化學(xué)分析法、硬度測(cè)量法和金相法等，其中硬度法是目前應(yīng)用最廣泛的一種標(biāo)準(zhǔn)方法。滲碳層深度是滲碳零件的主要技術(shù)要求之一。滲層深度的兩種定義全滲層深度有效滲層深度滲層的表面到滲層剛到達(dá)心部時(shí)的垂直距離零件經(jīng)滲碳淬火后由表面至硬度為HV550或HRC50的最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離5051滲硼是使硼原子滲入工件表層以獲得高硬度和高耐磨性的化學(xué)熱處理工藝。氮在鐵中的擴(kuò)散系數(shù)可用下式表示在正常溫度或更高溫度下采用高于所需表面碳含量的碳勢(shì)，時(shí)間較長(zhǎng)處理周期短，僅為氣體氮化的2/3～1/3；活性原子被鋼件吸收，其先決條件是活性原子能夠溶解于鋼件表層金屬中經(jīng)過二次淬火后，奧氏體晶粒可以得到充分細(xì)化，表層碳化物可變成粒狀，殘余奧氏體量減少，疲勞強(qiáng)度顯著提高。電解法滲硼的速率較高，滲硼溫度可降低到800℃以下，但坩堝壽命短。鋼中碳也會(huì)降低氮化層的深度，可能是由于由于鋼中形成碳化物而阻礙了氮原子的擴(kuò)散所致。碳原子由表面向心部的擴(kuò)散，是滲碳得以進(jìn)行并獲得一定深度滲層的條件。⑷提高零件的抗高溫氧化性液體滲碳就是在液體介質(zhì)中進(jìn)行的滲碳。㈥氮化零件的檢驗(yàn)和常見的缺陷α：N在α-Fe的固溶體共滲介質(zhì)在軟氮化溫度下發(fā)生熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生的活性氮、碳原子被工件表面吸收，通過擴(kuò)散滲入工件表層，從而獲得以氮為主的氮碳共滲層。②α″-Fe16N2型過渡氮化物的析出等。㈥滲碳熱處理的常見缺陷常見缺陷表面硬度偏低滲層深度不夠或不均勻零件變形超差心部硬度過高金相組織不合格滲碳層出現(xiàn)內(nèi)氧化52滲碳層出現(xiàn)內(nèi)氧化53㈦滲碳后鋼的機(jī)械性能⑴硬度和耐磨性鋼件的表面硬度和耐磨性可顯著提高。⑵沖擊韌性和斷裂韌性鋼件的沖擊韌性和斷裂韌性都降低，并且表面碳含量越高、滲層越深，這兩種性能降低越厲害。54⑶疲勞強(qiáng)度表面碳含量越高，Ms點(diǎn)越低，表面M的量小于表層內(nèi)部M的量，在表面層得到的殘余壓應(yīng)力越大，它可以抵消相當(dāng)部分由外加負(fù)載引起的拉應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度；一定層深的高硬度滲碳層，可以提高抵抗微裂紋的形成和擴(kuò)展，從而提高疲勞強(qiáng)度。鋼件經(jīng)滲碳后，其疲勞強(qiáng)度顯著提高：5511.3鋼的滲氮滲氮工藝又叫氮化。它是將氮滲入鋼件表面，以提高其硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和抗蝕性的一種化學(xué)處理方法。㈠氮化的特點(diǎn)和分類⑴滲氮的特點(diǎn)滲氮件的表面硬度可高達(dá)HRC70左右，并可保持到500℃左右而不降低，而滲碳層淬火后其硬度在HRC60～62左右并在200℃以上就急劇下降。由于滲氮層硬度高，其耐磨性也較高。①高的硬度和耐磨性56由于滲氮后表面形成的氮化物薄膜，化學(xué)穩(wěn)定性高而且致密。②高的疲勞強(qiáng)度氮化層內(nèi)的殘余壓應(yīng)力比滲碳層大，故氮化后可獲得較高的疲勞強(qiáng)度。③滲氮件的變形很小且規(guī)律性強(qiáng)因?yàn)榈箐摷恍杵渌魏螣崽幚怼＂芰己玫目挂Эㄐ阅苡捎诘瘜拥母哂捕群透邷赜捕?。⑤良好的耐腐蝕性能57例如：38CrMoAl鋼制壓縮機(jī)活塞桿為獲得0.4～0.6mm的滲氮層深度，氣體滲氮保溫時(shí)間需60h左右。處理時(shí)間長(zhǎng)生產(chǎn)成本高氮化層較?。?.3～0.6mm）氮化層脆性較大氮化的主要缺點(diǎn)58⑵

滲氮的分類氮化普通氮化離子氮化固體氮化液體氮化氣體氮化㈡Fe-N相圖和純鐵氮化層的組織兩個(gè)共析反應(yīng)：59相圖中的各個(gè)相：α：N在α-Fe的固溶體γ：N在γ-Fe的固溶體γ′：N在Fe4N的固溶體ε：N含量很寬的化合物ζ：N在Fe2N的固溶體6061㈢

氣體氮化原理無水氨氣；或氨氣＋氫氣；或氨氣＋氮?dú)?；氨氣的分解氮原子的吸收氮原子的擴(kuò)散整個(gè)氮化過程分為三個(gè)階段氣體氮化時(shí)一般使用62⑴氨氣的分解純鐵氮化時(shí)表面形成相與(NH3+H2)混合氣平衡的條件63⑵氮原子的吸收活性氮原子只有一部分能立即被鋼件表面吸收，而多數(shù)活性氮原子則很快相互結(jié)合成氮分子而逸出。64⑶氮原子的擴(kuò)散在氣體氮化時(shí)，由于氣氛中的氮?jiǎng)莺苋菀壮^生成ε化合物所需要的氮量，因此在鋼件表面極易生成一層ε化合物，此時(shí)氮原子將溶于化合物層中并不斷向內(nèi)擴(kuò)散。65氮在鐵中的擴(kuò)散系數(shù)可用下式表示由于N原子半徑比C原子小，因而N原子的擴(kuò)散系數(shù)比C大。與滲碳類似，氮化層的深度也隨時(shí)間呈拋物線關(guān)系增加。66⑷合金元素的影響和氮化強(qiáng)化機(jī)理氮化物形成元素和Al對(duì)氮化的影響最顯著。合金元素一般都減少氮化層的深度，其中尤以Ti、Al最為顯著，Cr次之。鋼中碳也會(huì)降低氮化層的深度，可能是由于由于鋼中形成碳化物而阻礙了氮原子的擴(kuò)散所致。67合金元素對(duì)氮化層的硬度的影響更為顯著。其中尤以Al、Ti最為顯著，Cr、Mo次之，Ni由于不形成氮化物，對(duì)硬度幾乎沒有什么影響。但由于Ti在鋼中將首先形成極穩(wěn)定的碳化物，而對(duì)氮化層的硬度貢獻(xiàn)很小。因此，工業(yè)用氮化鋼大都含有Al、Cr、Mo，而不含Ti。68Al、Cr、Mo等合金之所以能顯著提高鋼的氮化層硬度，是因?yàn)榈釉谙蛐牟繑U(kuò)散時(shí)，在氮化層中依次發(fā)生：①氮和合金元素的偏聚，形成所謂的G-P區(qū)；②

α″-Fe16N2型過渡氮化物的析出等。這些共格的偏聚區(qū)和過渡氮化物的析出，會(huì)引起硬度的強(qiáng)烈增高。上述過程與淬火－時(shí)效的過程幾乎一樣。69㈣氮化前的熱處理氮化零件的心部性能，由氮化前的熱處理決定，因此，氮化前的熱處理非常重要。時(shí)效強(qiáng)化M相變強(qiáng)化氮化后不需熱處理滲碳后必須淬火同時(shí)也改變心部的性能強(qiáng)化機(jī)理不同氮化滲碳70淬火溫度：由鋼的Ac3決定；淬火介質(zhì)：由鋼的淬透性決定；回火溫度：由心部的硬度要求和對(duì)氮化層硬度的影響決定。調(diào)質(zhì)處理淬火回火氮化前的熱處理一般都是：調(diào)質(zhì)處理一般情況下，為了保證心部組織的穩(wěn)定性，避免氮化時(shí)心部性能發(fā)生變化，通常都使氮化前的回火溫度比氮化溫度高50℃左右。71氮化前的回火溫度對(duì)氮化后的硬度梯度的影響（a）0.32C-3.0Cr-0.4Mo鋼在510℃氮化60h；（b）2.10C-12.0Cr-0.7W鋼在510℃氮化10h。一般地，回火溫度低，不僅心部硬度高，且氮化層硬度也較高，因而有效滲層的深度也會(huì)有所提高。72㈤氣體氮化工藝氮化溫度影響著氮化層的深度和硬度；氮化時(shí)間則主要影響層深。正確制訂氮化工藝，關(guān)鍵在于選擇好三個(gè)參數(shù)：⑴氮化溫度和時(shí)間的選擇氮化溫度氮化時(shí)間氣氛氮?jiǎng)?360h7475氮化前零件的回火溫度，使氮化溫度低于回火溫度50℃左右；氮化層深的要求，氮化層要求較深，氮化溫度應(yīng)高一些；金相組織的要求，氮化溫度越高，越容易出現(xiàn)白層(γ′-Fe2N1-x+ε-Fe4N)和網(wǎng)狀氮化物。氮化溫度的選擇：主要根據(jù)對(duì)零件表面硬度的要求而定，要求硬度高者，氮化溫度應(yīng)適當(dāng)降低。在此前提下，還要考慮：氮化時(shí)間的選擇：主要依據(jù)氮化的層深而定。76也可以采取525℃+540℃的兩段氮化法，還可以采用低溫-高溫-低溫、或低溫-高溫-高溫等工藝。為了加快氮化速度并保證硬度要求，目前已經(jīng)發(fā)展了各種分階段氮化方法。例如：常用的氮化鋼38CrMoAlA制成的氣缸筒，要求滲層深0.5～0.8mm、硬度HRA≥80時(shí)，可采用以下工藝:第一階段：低溫(510±5℃、50h)高氮?jiǎng)?，加大擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力；第二階段：高溫(550±5℃、50h)低氮?jiǎng)?，加快擴(kuò)散和調(diào)整表面氮含量。77對(duì)于不銹鋼等高合金鋼的氮化，由于N原子在這類鋼中的擴(kuò)散比較困難，往往不容易得到較深的滲層，因此，一般都采用較高的氮化溫度（550～560℃），以提高氮化速度。⑵氣氛氮?jiǎng)莸倪x擇氮化氣氛氮?jiǎng)菘刂品椒▊鹘y(tǒng)的不控制氮?jiǎng)荻刂瓢睔獾姆纸饴世眉t外線氮?dú)夥治鰞x，對(duì)排放氣體中的NH3量進(jìn)行分析而控制氣氛氮?jiǎng)?8㈥氮化零件的檢驗(yàn)和常見的缺陷表面硬度的檢驗(yàn)：氮化層一般較薄，要注意載荷的選擇以防止壓穿，通常選用HV10(kg)或表面洛氏硬度HRN15(Kg)。如果表面硬度偏低，可能是表面氮濃度不足或滲前處理的回火溫度過高所致。表面硬度滲層深度心部硬度金相組織變形量等對(duì)氮化零件的技術(shù)要求包括表面硬度79滲層深度的檢驗(yàn)：仍然以硬度法最為精準(zhǔn)。有效滲層深度：有的以硬度HRC50（HV550）的層深為準(zhǔn)，有的以HV400為界。滲層深度心部硬度心部硬度的檢驗(yàn)：硬度法。心部硬度超差，則往往是回火溫度選取不當(dāng)所致。80產(chǎn)生金相組織不合格的原因：主要是氣氛氮?jiǎng)葸^高、氮化溫度過高、氮化前處理時(shí)發(fā)生表面脫碳或晶粒細(xì)化不夠等。金相組織氮化層的正常金相組織表層內(nèi)部心部無白層或白層很薄無網(wǎng)狀、針狀和魚骨狀氮化物，波紋狀氮化物層不厚，晶粒不粗大不允許有自由F存在81與氣體氮化相比，離子氮化具有以下優(yōu)點(diǎn)：處理周期短，僅為氣體氮化的2/3～1/3；可節(jié)約電能和氨氣的消耗；零件的表面不易形成連續(xù)的白色脆性層；變形小，特別適合于形狀復(fù)雜的精密零件；易于實(shí)現(xiàn)局部氮化和均勻氮化；適用于各種材料；不產(chǎn)生污染，勞動(dòng)條件有所改善。㈦

離子氮化離子氮化又稱為輝光放電氮化或等離子氮化。⑴離子氮化的特點(diǎn)82設(shè)備復(fù)雜且投資大；準(zhǔn)確測(cè)定零件溫度困難；對(duì)于大型爐、各類零件混合裝爐時(shí)難以保證各處溫度的一致性。⑵離子氮化的原理離子氮化是利用輝光放電這一物理現(xiàn)象對(duì)金屬材料表面強(qiáng)化的氮化法。離子氮化的缺點(diǎn)：83合金鋼件滲氮可獲得合金氮化物的彌散硬化表層。加熱介質(zhì)為NaCl和KCl，催滲劑為Na2CO3，供碳介質(zhì)為尿素和木炭粉對(duì)幾種常用滲碳溫度的層深計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：如果Accm﹥Ac3，就很容易選擇一個(gè)淬火溫度來同時(shí)滿足這兩者的要求；如耐腐蝕性、耐磨性等因?yàn)楦邷貪B碳后奧氏體晶粒粗大，故第一次淬火溫度通常高于心部的Ac3，而第二次淬火溫度在滲層的Ac1～Accm之間。氮化前的熱處理一般都是：調(diào)質(zhì)處理實(shí)質(zhì)上是以滲氮為主的低溫氮碳共滲，鋼在氮原子滲入的同時(shí)，還有少量的碳原子滲入，其處理結(jié)果與一般氣體氮化相比，滲層硬度較氮化低，脆性較小，故稱為軟氮化。實(shí)質(zhì)上是以滲氮為主的低溫氮碳共滲，鋼在氮原子滲入的同時(shí)，還有少量的碳原子滲入，其處理結(jié)果與一般氣體氮化相比，滲層硬度較氮化低，脆性較小，故稱為軟氮化。①對(duì)表面碳濃度的影響減少加熱和冷卻的次數(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低能耗及生產(chǎn)成本，還可減少零件變形及表面的氧化和脫碳。使高碳A析出一部分K，降低A中的碳濃度，從而減少淬火后殘A量，獲得較高的表面硬度以具有腐蝕性的三氯化硼或劇毒的乙硼烷為滲劑，滲劑昂貴，故尚未用于生產(chǎn)。此外，也可以在二次加熱淬火中間安排一次回火，在最后淬火加熱之前可以進(jìn)行一些切削加工；與此同時(shí)，部分離子引起陰極濺射，從工件表面濺射出電子和原子，濺出的Fe原子和N原子相結(jié)合形成FeN，F(xiàn)eN由于受到高溫和離子轟擊而很快地分解為低價(jià)氮化物而放出氮。在低壓的氮?dú)饣虬睔獾葰夥罩?，作為?yáng)極的爐體和作為陰極的被處理工件之間加以直流電壓，使氣體產(chǎn)生輝光放電。氮化爐氣體中的正離子向陰極移動(dòng)，當(dāng)接近工件表面時(shí)，由于工件表面數(shù)毫米處的急劇電壓降而被強(qiáng)烈加速，正離子轟擊工件表面，離子具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏訜岜惶幚砉ぜ?，同時(shí)一部分離子直接注入工件表面；84與此同時(shí)，部分離子引起陰極濺射，從工件表面濺射出電子和原子，濺出的Fe原子和N原子相結(jié)合形成FeN，F(xiàn)eN由于受到高溫和離子轟擊而很快地分解為低價(jià)氮化物而放出氮。一部分失去氮的Fe又被濺射到輝光等離子氣體中與新的N原子結(jié)合，促進(jìn)氮化。氮化爐85a－輝光點(diǎn)燃電壓bc－正常輝光放電區(qū)cd－異常輝光放電區(qū)de－弧光放電區(qū)86⑶離子氮化工藝裝爐時(shí)要注意熱電偶的合理分布離子氮化前的準(zhǔn)備工作裝爐時(shí)，零件間隔必須足夠大且均勻，裝載過密往往會(huì)引起溫度過高對(duì)局部氮化的零件，可在不需要氮化的地方用外罩或塞子屏蔽，以免在該處引起輝光零件氮化前必須經(jīng)過徹底清洗，以免因油污、銹斑、揮發(fā)物等而引起電弧，損傷工件87在選擇工藝參數(shù)時(shí)主要是確定溫度、時(shí)間和氣氛，然后改變或調(diào)節(jié)電參數(shù)和氣壓來滿足溫度等要求。電參數(shù)熱參數(shù)氣參數(shù)離子氮化的工藝參數(shù)電流電壓溫度時(shí)間氣體成分氣壓流量88氣氛：國(guó)內(nèi)多用純氨，而國(guó)外多用分解氨，爐內(nèi)氣體壓力在工作溫度下一般維持在266.6～999.75Pa之間。氮化溫度是最主要的參數(shù)氮化鋼：其它合金結(jié)構(gòu)鋼：其它高合金鋼：不耐熱銹鋼：氮化時(shí)間：由氮化層深確定。520～540℃480～520℃480～540℃550～580℃89由于軟氮化層不存在脆性ξ相，故氮化層硬而具有一定的韌性，不容易剝落。在正常溫度或更高溫度下采用高于所需表面碳含量的碳勢(shì)，時(shí)間較長(zhǎng)6mm的滲氮層深度，氣體滲氮保溫時(shí)間需60h左右。例如：38CrMoAl鋼制壓縮機(jī)活塞桿為獲得0.由于各參數(shù)間相互影響較大，同時(shí)為了縮短滲碳的總時(shí)間，通常對(duì)各參數(shù)進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)：鹽浴還具有一定的滲氮功能。加熱介質(zhì)為NaCl和KCl，催滲劑為Na2CO3，供碳介質(zhì)為尿素和木炭粉在正常溫度或更高溫度下采用高于所需表面碳含量的碳勢(shì)，時(shí)間較長(zhǎng)⑷提高零件的抗高溫氧化性合金元素對(duì)氮化層的硬度的影響更為顯著。如果同時(shí)滲入兩種以上的元素，則稱之為共滲，如碳氮共滲、鉻硅鋁共滲等。為了避免重復(fù)加熱引起太大的變形，對(duì)于形狀易于變形的工件，可規(guī)定進(jìn)行一次或幾次預(yù)熱。鋼中碳也會(huì)降低氮化層的深度，可能是由于由于鋼中形成碳化物而阻礙了氮原子的擴(kuò)散所致。滲層深度和滲碳溫度確定后，所需的滲碳時(shí)間可根據(jù)Harris公式進(jìn)行近似計(jì)算。實(shí)質(zhì)上是以滲氮為主的低溫氮碳共滲，鋼在氮原子滲入的同時(shí)，還有少量的碳原子滲入，其處理結(jié)果與一般氣體氮化相比，滲層硬度較氮化低，脆性較小，故稱為軟氮化。㈧軟氮化氣體軟氮化液體軟氮化固體軟氮化軟氮化90目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的是氣體軟氮化，它是在含有活性氮、碳原子的氣氛中進(jìn)行的低溫氮碳共滲。尿素甲酰胺氨氣三乙醇胺常用共滲介質(zhì)共滲介質(zhì)在軟氮化溫度下發(fā)生熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生的活性氮、碳原子被工件表面吸收，通過擴(kuò)散滲入工件表層，從而獲得以氮為主的氮碳共滲層。91鋼經(jīng)軟氮化后，最外層可獲得幾微米至幾十微米的白亮層，它由ε-Fe(C,N)相、γ′-Fe4N相和含氮的滲碳體Fe3(C，N)所組成；次層為的擴(kuò)散層，主要由γ′相和ε相組成。常為2～3小時(shí)，因?yàn)槌^2.5小時(shí)后隨時(shí)間延長(zhǎng)，氮化層深