热处理原理与工艺第十四章教案

第十四章钢的渗氮渗氮是在一定温度下于一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。

渗氮处理后的零件具有如下特点：1）具有高的表面硬度及耐磨性含Al、Cr、Mo等的合金钢渗氮后硬度可达950～1200HV，并可维持到500℃左右。

2）具有高的疲劳强度和抗大气和淡水腐蚀能力。

3.）工件变形小，适合精密零件的最终处理，但时间很长。

渗层也较薄，不适于承受重载荷。

按介质不同，可分为气体渗氮和液体渗氮。

按渗氮目的不同可分为强化渗氮和抗蚀渗氮。

本章主要介绍渗氮的基本原理、渗氮层的组织和性能、气体渗氮工艺的制订方法。

第一节渗氮层组织与性能一、Fe－N系相图与基本相α相：是氮在α－Fe中的间隙固溶体（含氮铁素体），体心立方晶格，其中氮含量在室温时不超过0.001%，在590℃为0.1%。

γ相：是氮在γ－Fe中的间隙固溶体（即含氮奥氏体），面心立方晶格，温度高于590℃时才存在。

共析成分为2.35%，温度缓慢下降通过590℃时，γ相发生共析转变γ→α＋γ′。

如在γ相区快速冷却，则会得到含氮马氏体（与含碳马氏体类似）。

γ′相：是一种成分可变的间隙相，面心立方晶格，450℃时含氮量为5.7～6.7%，氮原子有序地占据间隙位置，当含氮量为5.9%时，其成分符合Fe4N，γ′相大约在680℃以上发生分解并溶于ε相中。

ε相：为一可变成分的氮化物，具有密排六方晶格，在一般氮化温度范围内ε相的成分大致在Fe2N～Fe3N之间（8.25～11%N）。

随温度的降低ε相将析出γ′相。

ξ相：ξ相极脆，渗氮层一般不允许出现ξ相。

二、纯铁渗氮层组织与性能图14-2为渗氮层组织和氮含量分布示意图（略）各相性能特点：ε相硬度约为265HV，γ′相为550HV，含氮马氏体为650HV。

α相韧性最好，ε相较脆，并脆性随含氮量增加而增大；γ′相脆性较小；ξ相很脆，一般不允许渗氮层出现ξ相。

ε相具有良好的抵抗大气和淡水腐蚀的性能。

三、碳及合金元素对渗氮层组织与性能的影响1.碳的影响碳使氮在钢中的的扩散速度降低，使渗氮层的深度减小。

碳素钢渗氮层的组织与纯铁渗氮层组织大致相同，碳可溶于ε中，形成Fe2~3（C，N），使之硬度提高、脆性降低，但γ′几乎不溶解碳。

氮在钢中能溶入渗碳体而形成含氮渗碳体Fe3（C，N）。

2.合金元素的影响1)溶于α相中的W、Mo、Cr等元素提高氮在α相中的溶解度，延缓氮化物的形成。

N和（Fe、Me)2-3N等。

2)形成合金化的γ′相和ε相，如（Fe、Me)43）形成合金氮化物氮化物具有极高硬度（其热稳定性很好，在500℃左右基本不发生明显聚集长大），且以极细粒状弥散分布在渗氮层基体中，并与基体α共格，可产生强烈的弥散强化作用。

这是造成其高硬度的主要原因。

Al主要是溶于γ′中，造成γ′晶格强烈畸变，从而造成硬化。

Al的硬化作用也非常显著。

含Al合金钢一般不形成AlN。

由于碳钢中的氮化物没有合金氮化物硬度高，故碳钢渗氮后硬度不如合金钢高。

中、高碳钢的化合物层硬度约为500~600HV，合金钢化合物层的硬度可高达1000~1200HV。

4）合金元素减少渗氮层深度所有合金元素都不同程度降低了氮在α相中的扩散速度，因而使渗氮层深度减小，如图14-4所示。

第二节气体渗氮一、渗氮钢和渗氮前的预备热处理1）渗氮钢常选用含铬、钼、钨、钒等能形成强氮化物元素的中、低碳合金钢进行渗氮。

其中最典型的氮化钢是38CrMoAIA钢，Cr12、Cr12MoV等工模具钢也可进行渗氮处理。

2）渗氮前的预备热处理下料→锻造→预备热处理→粗加工→调质→半精加工→去应力退火→粗磨→渗氮→精磨。

渗氮前调质处理工艺规范对渗氮质量影响极大二、气体渗氮工艺一）气体渗氮基本装置渗氮装置示意图见图14-5。

二）气体渗氮工艺参数1.渗氮温度渗氮温度常选在480～560℃。

渗氮温度越低，表面硬度越高；温度过高，共格破坏、合金氮化物聚集长大，硬度下降。

随渗氮温度的升高，氮原子扩散速度增大，渗氮速度加快、渗层增厚，但畸变量也增大。

为了不改变调质后的心部强度与硬度，渗氮温度要比调质处理的回火温度低40～70℃。

2.渗氮时间渗氮时间通常很长，具体零件的渗氮时间取决技术要求、渗氮条件等。

渗氮时间对渗氮层深度的影响如图14-7所示。

3.氨分解率氨分解率是表示在某一温度下，分解的氮、氢混合气体占炉气总体积的百分比。

分解率的大小取决于渗氮温度、氨气的流量、炉内压力、零件的表面情况及有无催化剂等因素。

通常采用氨分解率测定计测定氨分解率，生产上常用的氨分解率测定计见图14-9。

三）气体渗氮工艺方法1.表面强化渗氮1）等温渗氮法等温渗氮工艺（见图14-10）是在同一温度下长时间保温的渗氮方法。

渗氮件入炉一般应采用低温入炉或预热升温的方法。

在渗氮前20h用较低的氨分解率（18%~25%），在渗氮中期，适当提高分解率，以适当降低表面氮含量，减少渗氮层脆性，改善硬度梯度分布，最后采用高分解率（＞70%）进行退氮①处理，以进一步降低表面氮化物中氮含量，降低渗氮层脆性。

渗氮结束后通常采取炉冷，并继续通入氨气，以减少畸变、避免氧化。

等温渗氮工艺具有渗氮温度低，表面硬度高，畸变小的优点，适于要求畸变小、硬度高的精密件，但其生产周期很长。

2）二段渗氮法二段渗氮法如图14-11所示。

第一段与等温渗氮温度、分解率相同，第二段温度、分解率较高。

为尽量减少渗氮零件畸变程度，第二段温度一般不高于550～560℃。

在第二阶段氮化保温结束后，采用高分解率（＞70%），进行退氮处理。

二段渗氮工艺比等温渗氮工艺时间可缩短25%～50%，但表面硬度略低（856~1025HV）,渗层厚度为0.49~0.53mm，脆性1级，畸变程度略大。

二段渗氮适于要求渗层较深、硬度较高，畸变程度要求略低的工件。

二段法在生产中应用较多。

3）三段渗氮法工艺如图14-12所示。

三段渗氮工艺是在二段渗氮的基础上，增加一段较低温度的保温时间，以再次提高表面氮含量，提高表面硬度。

三段渗氮的生产周期可缩短到40h左右。

三段法适于硬度要求较高，不易畸变或对畸变要求略低的工件。

由于工艺较复杂、畸变较大，三段法应用较少。

表14-2为常用结构钢的渗氮工艺规范。

2.抗蚀渗氮抗蚀渗氮是为了提高工件的抗腐蚀性能而进行的渗氮处理。

工件表面可获得厚度为0.015～0.06mm的致密、化学稳定性高的ε相。

抗蚀渗氮过程，与强化渗氮过程基本相同，只是渗氮温度较高。

但温度过高，表面氮含量降低，孔隙度增大，抗蚀性下降。

经抗蚀渗氮件对自来水、湿空气、过热蒸汽以及弱碱液体具有良好的抗腐蚀性能，可用来制造自来水龙头、锅炉汽管、水管阀门以及门把手等，代替铜件和镀铬件。

但渗氮层在酸溶液中并不具有抗蚀性。

四）渗氮件性能特点1）表面硬度及耐磨性较渗碳及其他常见热处理方法高2）疲劳强度较高，缺口敏感性较低。

①退氮过程中，炉气氮势较低，工件表面的氮原子向炉气扩散，同时也可向渗层内部扩散，从而使表面氮含量降低。

炉罐和吊具使用一段时间后，也需进行退氮处理，否则会对氨气分解起催化作用，使氨分解率和氨气消耗量增大，甚至造成氨分解率难以控制；炉罐退氮方法是将其在600~650℃，空烧4~6h。

3）红硬性好三、加速渗氮的方法略四、典型零件强化渗氮工艺实例略第三节离子渗氮离子渗氮是在低真空（通常为10-1~10-2Pa）含氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极间产生的辉光放电现象进行的渗氮工艺。

具有渗速快、氮化层的质量高及变形小的特点。

一、离子渗氮基本原理和装置图14-13是离子渗氮装置示意图和离子渗氮原理示意图。

离子渗氮的基本原理（略）二、离子渗氮的特点1）渗氮速度快、时间短2）渗氮质量好渗层的化合物组织可调，可使渗氮层中不出现化合物层，从而调整渗氮层性能。

3）工件变形小4）渗氮前不需去钝处理5）容易实现局部渗氮6）适用于各种材料对渗氮钢、碳钢、不锈钢、耐热钢、铸铁和有色金属等均能进行渗氮。

此外，离子渗氮还具有省电、节气、劳动条件好，无公害等优点。

离子渗氮的缺点是投资高、准确测温困难、设备操作与调整较烦琐，对大型炉子及混装工件情况，各处温度往往不均匀。

第四节渗氮后的质量检验及常见缺陷一、质量检验1.外观检验表面不应有裂纹、剥落及肉眼可见的疏松等缺陷。

渗氮零件的表面应呈银灰色。

2.硬度检验由于渗氮层很浅薄，通常用维氏硬度或表面洛氏硬度计来测定渗氮层表面硬度。

3.渗氮层深度检验1）金相法将渗氮后的试样制成金相样品，浸蚀后在金相显微镜下观察渗氮层深度。

如图14-15所示。

2）硬度法硬度法采用维氏硬度测量。

GB/T11354-2005规定：渗氮层深度是指从试样表面测至比基体维氏硬度值高50HV（硬度梯度较平缓的工件测至较基体硬度高30HV）处的垂直距离。

硬度法也是有争议时的仲裁法。

【练一练】：比较在金相法和硬度法中渗氮层深度与渗碳层深度定义的异同。

4.渗氮层脆性检验一般用维氏硬度计测定脆性。

按维氏硬度压痕边角碎裂程度将脆性级别分成五级（见图14-16）：5.金相组织检验渗氮件金相组织检验包括渗氮层和心部组织检验两部分。

正常渗氮层的扩散层中没有或只有少量脉状氮化物（见图14-17a）,不合格的扩散层中有严重脉状①、网状氮化物(见图14-16b)，这些氮化物使渗层变脆、易剥落。

合格的心部组织应为回火索氏体，不允许有大量游离铁素体。

6.渗氮层疏松检验按化合物层内微孔的形状、数量、密集程度，将疏松分为5级。

一般零件1~3级为合格，4~5级不合格。

图14-17为疏松检验合格与不合格的组织。

7.尺寸及畸变检验一般说来，渗氮处理的工件变形很小，但对于精密零件应按工件技术要求进行检验。

工件经渗氮处理后尺寸略微增大，其尺寸胀大量约为渗氮层厚的的3%~4%。

渗氮后尚需精磨的工件，最大畸变处的磨削量不得超过0.15mm。

对抗蚀渗氮件还需进行抗腐蚀性能检验。

二、气体渗氮常见缺陷表14-4列出了气体渗氮常见缺陷种类、产生原因及预防措施（略）第五节渗氮工艺的发展一、表面纳米化渗氮（略）二、真空脉冲渗氮（略）三、短时渗氮（略）四、深层渗氮（略）本章小结略本章重要名词：氨分解率、渗氮层深度、脉状氮化物练习题：一（1~4、7），二（1、2、3），三（2~4、6~10）①脉状氮化物指渗氮件扩散层中与表面大致平行的脉浪状氮化物。