钢的渗氮技术及检验

• 经 渗分氮解，出一来般的缺N点，为随硬而化扩层散薄进而入氮钢化的处表理面时形间成长。。相的Fe2 - 3N气体
• 气 化体之氮钢化种因，分如解含有NHA3l进，行Cr渗，氮Mo效等率氮低化，元故素一，般否均则固氮定化选几用无适法用进于行氮， 一般使用强韧化处理又称调质，因Al，Cr，Mo等皆为提高变态点温 度之元素，故淬火温度高，回火温度亦较普通之构造用合金钢高， 此乃在氮化温度长时间加热之间，发生回火脆性，故预先施以调质 强 研韧磨化，处而理且。时N间H长3气不体经氮济化，，用因于为塑时胶间射长出表形面机粗的糙送，料硬管而及较螺脆旋不杆易的 氮化。
钢的渗氮技术及检验
2013年7月
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目录
• 渗氮基本原理 • 氮化方法 • 渗氮钢及预先热处理 • 渗氮工艺及实践 • 渗氮设备 • 渗氮件的品质检验 • 渗氮硬化层深度的测定和金相组织检验 • 氮化常见问题分析
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渗氮基本原理
➢ 渗氮定义：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。
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氮化方法
• 渗氮方法：
– 气体渗氮 – 液体渗氮 – 固体渗氮 – 离子渗氮。
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氮化方法
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气体氮化
• 气 气 解体直为氮接原化输子系进状5于态001的9～2（35年5N0）由℃气德的与国氮（A化FH炉r）y内所气，发而保表进持，行2将渗0～工氮10件处0小置理时于，，炉在使内使N，钢H利的3气N表分H3
• 对于结构零件通常选用的钢种为含铬、钼、钛、铝等合金元素的专用钢， 也有在其它钢种上进行渗氮的，例如不锈钢、模具钢等。
• 渗氮处理的温度通常在480～540℃范围（既要保持工件的心部的调质硬度 又要使渗氮层的硬度达到要求值），处理的时间按照要求深度不同，一般 为15～70小时，甚至更长。
• 渗氮的着眼点是希望获得较深厚度（0.1～0.65mm,也有要求更深一些的） 具有高硬度的呈弥散状的合金氮化物层（即扩散层），对于出现外表层的 化合物层（白亮层）则希望尽可能的浅簿，甚至希望没有。
➢ 钢的渗氮通常在480~580℃进行，抗蚀渗氮或 含钛2%以上的钢种的渗氮温度一般也不超过 650℃.渗氮层表面硬度高而且表面处于压应力 状态，能显著提高钢的耐磨性与疲劳强度，改 善耐蚀性和抗擦伤性能。500℃以下长时间加 热，渗氮层硬度可基本保持不变。
➢ 渗氮的目的：是为了提高钢铁制件的表面硬度 ，耐磨性，疲劳性能及抗腐蚀性能。
– 软氮化：软氮化实质上是以渗氮为主的低温碳氮共渗，钢 的氮原子渗及的同时，还有少量的碳原子渗入，其处理结 果与前述一般气体氮相比，渗层硬度较低，脆性较小，故 称为软氮化。
• 软氮化方法分为气体精软品课氮件化和液体软氮化两大类。
氮化工艺方法
• 软氮化
– 常用的共渗介质有尿素、甲酰胺和三乙醇胺，它们在软氮化温度 下发生热分解反应，产生活性碳、氮原子。活性碳、氮原子被工 件表面吸收，通过扩散渗入工件表层，从而获得以氮为主的碳氮 共渗层。气体软氮化温度常用560-570℃，因该温度下氮化层硬 度值最高。氮化时间常为2-3小时，因为超过2.5小时，随时间延 长，氮化层深度增加很慢。
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氮化原理
零件经过氮化以后，它的表层组织由于氮的渗 入而发生了变化。由铁氮系状态图中可知，其 形成五种相，即α相、γ相、γ′相、ε相和 ζ相。
➢ α相是氮在α-Ｆe中的间隙固溶体，α相在缓慢 冷却过程中将析出γ′相。
➢ γ相是氮在γ-Fe中的间隙固溶体，即含氮奥氏体。 缓冷时γ相发生共析反应，生成共析组织 （α+γ′）。
➢ 合金元素与氮的亲和力越大，所形成的氮化物越稳定 ，熔点、硬度也越高。
➢ 氮化物的稳定性按下列次序降低，即Ti、Al、V、Nb、 W、Mo、Cr、Mn、Fe的氮化物。
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氮化方法
• 氮化工艺方法
– 硬氮化：学名‘渗氮’，也有人称为常规氮化。渗入钢表 面的是单一的‘氮’元素，在方法上有气体法和离子法等。
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渗氮基本原理
➢ 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和 组织，获得优良的表面性能。
➢ 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。
氮化层的组织习惯上都说成由白亮层、α＋ γ′、α这三层组成。
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Fe-N状态图中的相
氮化原理
合金钢中氮化层的形成，氮不仅与铁发生作用， 而且与合金元素也发生作用。
➢ 如果在590℃以下进行氮化，氮首先溶入α-Fe中形成 α相。
➢ 当氮达到α-Fe的饱和浓度后，便与氮化物形成元素发 生作用，按照氮与合金元素亲和力的强弱，依次形成 氮化物。例如38CrMoAlA，先形成极为弥散的氮化铝， 然后形成氮化钼，最后形成氮化铬。
– 软氮化层组织和软氮化特点：钢经软氮化后，表面最外层可获得 几微米至几十微米的白亮层，它是由ε相、γ`相和含氮的渗碳 体Fe3（C，N）所组成，次层为0.3-0.4毫米的扩散层，它主要 是由γ`相和ε相组成。
– 软氮化具有以下特点：(1)处理温度低，时间短，工件变形小。 (2)不受钢种限制，碳钢、低合金钢、工模具钢、不锈钢、铸铁及 铁基粉未冶金材料均可进行软氮化处理。工件经软氮化后的表面 硬度与氮化工艺及材料有关。（3）能显著地提高工件的疲劳极 限、耐磨性和耐腐蚀性。在干摩擦条件下还具有抗擦伤和抗咬合 等性能。
面产生耐磨、耐腐蚀之化合物层为主要目的，其厚度约为0.02～
0量.2的m大/m小，与其温性度质的极高硬低H而v 1有00所0～改1变20，0，流又量极愈脆大，则N分H解3之度分愈解低率，视流流量
愈小则分解率愈高，温度愈高分解率愈高，温度愈低分解率亦愈低
，NH3气在570℃时经热分解如下：
•
NH3 →〔N〕Fe + 3/2 H2
➢ γ′相是有序面心立点阵的间隙相，存在于680℃ 以下。γ′相有较高的硬度（HV550）和韧性。
➢ ε相是含氮范围很宽的间隙相化合物，室温时含氮 量为8.1-11.1%，成分近似于Fe2-3N。随着温度的 降低，ε相中不断析出γ′相。
➢ ζ相是以密排六方点阵为化合物Fe2N为基的间隙 固溶体，含氮在11.1-11.35%范围内，性脆、耐腐蚀。