渗氮工艺及材料的选择.doc

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1、渗氮(nitriding)在低于钢铁材料临界点Ac1基体不发生相变的前提下，将活性氮原子渗入制件表层的化学热处理工艺。以提高耐磨性、抗疲劳性能为目的的渗氮通常在500～570℃进行；以提高耐蚀性为目的的渗氮温度也不高于650℃。本法的优点是表面改性显著，且处理前后尺寸变化小，能保持制件的精度。除钢之外，球墨铸铁和钛合金制件亦可通过渗氮提高耐磨性和使用寿命。分类应用最广泛的是气体渗氮，其次为离子渗氮，盐浴渗氮(不包括兼有渗碳作用的氮碳共渗)和固体渗氮用户极少。气体渗氮常用的渗氮介质有氨、氨与氮、氨与氢、氨与预先在炉外分解的氨分解气的混合气。氨

2、在300℃以上即发生显著的分解，故上述各种气体都是氨、氮与氢的混合气。混合气在钢件表面的催化作用下分解出活性氮原子，吸附并渗入钢件表层。介质的渗氮能力与氨分解程度有关。图1示出氨分解率对38CrMoAlA钢渗氮处理(24h)后渗层深度和硬度的影响。气体掺氮常用设备为RJJ系列井式电炉。密封加热罐常用1Cr18Ni9Ti不锈钢制造。此种密封罐的缺点是内壁对氨分解有触媒作用，使用过程中使氨分解率失去控制，影响渗氮质量。懈决这一问题的方法是在新罐使用前空载通入含硫气体(H2S或SO2)，或滴注CS2，于500～600C保持2～4h，或在800～8

3、60℃空载保温2～4h，可使罐内壁的催化作用大幅度下降。采用搪瓷渗氮罐代替不锈钢罐已进入工业实用阶段，后者色完全消除了罐壁的催化作用。气体渗氮温度因钢种、渗层深度、硬度和性能指标的不同要求在480～650℃之间选择。大多数钢种的渗氮件在520～560℃处理，保温时间主要取决于要求的渗层深度。离子渗氮以钟罩式炉壳为阳极，欲渗零件为阴极，置于真空度为130～1300Pa的含氮气氛中，在电场作用下两极问激发辉光放电，并将气体电离产生氮离子，由电场加速向阴极迁移、轰击，使之加热到480～560℃渗氮温度，将吸附的氮渗入工件。用作渗氮气氛的有氨、氮或

4、氮与氢的混合气。与气体渗氮相比，离子渗氮具有下述优点：(1)扩散过程的速度提高30％～50％；(2)更好地控制渗层的成分和相组成物，如在10％NH3+90％Ar气氛中生成表面无氮化物(脆性)层的富氮扩散层；(3)因阴极溅射作用而降低了表面粗糙度；(4)缩短加热与冷却时间，缩短处理周期；(5)节约渗氮剂；(6)对环境无污染。离子渗氮工艺也存在一些缺点：带有深孔、小孔、盲孔、尖角的零件不能获得质量良好的渗层；电冈电压的波动影响处理质量的均一性。渗氮用钢以抗磨损、抗疲劳为主的渗氮件常用含0.15％～0.45％C的合金结构钢；用量最大的是含0.25

5、％～0.40％c的铬钼铝钢、铬钼钢、铬镍钼钢、铬镍钨钢。以抗大气、雨水、水蒸气等介质腐蚀为主的渗氮件则常用低碳钢和中碳钢。模具钢、高速工具钢与不锈钢工件亦可采用渗氮作为提高耐用度的手段。表中列出部分常用渗氮钢的钢号及主要性能和用除．部分常用渗氮钢的钢号、主要性能和用途类别钢号渗氮后性能用  途低碳钢08、10、15、20、A3、08AI、30抗大气与水等的腐蚀螺栓、螺母、销钉、把手中碳钢40、45、40Mrt、45Mn、耐磨、抗疲劳轴和中、轻载齿轮中碳合金钢38CrMoAlA、38Cr2MoAlA、35CrMo、35CrNiMo、42CrM

6、o、40crNiMo、30Cr3WA、50CrVA、38CrWVAlA耐磨，抗疲劳性优良，可承受重载荷坦克、飞机、大型机床的主轴、镗杆、重载齿轮、丝杠、缸套模具钢Cr12MoV、Cr12Mo、4Cr5MoV1Si，3Cr2W8V、5CrNiMo 5CrMnMo耐磨、抗热疲劳与冲击疲劳、型腔温度低于600℃保持高硬度冲模、拉伸模、压铸模、挤压模高速钢W6M05cr4V2耐磨及红硬性优良高速钢刀具不锈钢等高合金钢1Cr13、2Cr13、1Crl8Ni9Ti、1Crl8Ni9、25Crl8Ni8W2、45Crl4Nn4W2Mo、1Crl7Nil3

7、M02Nb、3Cr19Ni9MoWNbTi耐磨性、红硬性及高温强度优良，600℃以下长期工作，多种介质中耐腐蚀纺纱机走丝槽、泵轴、叶轮、阀杆、腐蚀介质中工作的齿轮      渗氮层的组织与性能典型的渗氮层由表及里分为两个次层：ξ单相次层和γ’复相次层。ξ化学式为(Fe，M)2-3N(M代表氮化物形成元素)，六方晶系，又称白亮层。γ’化学式为(Fe，M)2-3N，面心立方晶系，在渗氮钢原始组织的基础上以极细的尺寸分散地析出，光学金相观察为黑色层。γ’复相层中氮浓度的梯度大，又称氮扩散层。不同钢种制成的适于不同工况条件的渗氮件，要求的渗层组织有

8、很大差别，如冷作模具和高速钢刀具不允许￡单相层厚度超过2μm，更不允许连成大片；而抗蚀渗氮则要获得10um以上厚度的ξ层，且尽可能形成完整的膜。与渗碳层相比，渗氮层的硬度高得多(