软氮化原理浅析.

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二、化学热处理简介
化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或 几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。发司 曲轴的氮化就是化学热处理。作用主要有两个方面：一是强化表面，如渗碳、 氮化、碳氮共渗、渗硼、硫氮共渗等，可以提高工件等表面等疲劳强度、硬度 和耐磨性；二是改善表面的物理、化学性能，如渗铝等，可以提高工件表面等 抗腐蚀能力、抗氧化能力。 根据钢中元素与渗入元素相互作用形成的相结构，化学热处理可分为两大类。 第一类为渗入元素在基体金属中富化但未超过固溶度，形成金属固溶体，如渗 碳（固溶扩散或纯扩散）。第二类为反应扩散，其一是扩散元素富化超过固溶 体与钢中元素形成有序相（金属间化合物），如渗氮；其二是渗入元素在溶质 元素晶格中的固溶度非常小，以致使两种元素相互作用形成化合物，如渗硼。 化学热处理通常由渗剂中的物理化学过程，渗入元素的活性物质或活性原子 被工件表面吸附和吸收，渗入原子在工件（金属）中扩散和化学反应三个基本 过程组成。
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3、气体渗氮 气体渗氮一般使用无水氨气(氨+氮）作为供氮介质。整个渗氮过程可 分为分解、吸附及扩散三个过程，即氨的分解、钢件表面吸收氮原子、氮 原子从表面向里扩散。 影响渗氮因素很多，如温度、时间、压力、介质成分以及零件钢材成 分和组织等。只有合理地控制这些因素，才能获得满意的渗氮效果。为了 不影响零件调质后的心部强度，渗氮温度一般比调质时的回火温度低40～ 70℃。 随渗氮温度的升高，氮原子的扩散速度显著增大，同时也加快了渗层 对活性氮原子的吸收过程，因此渗层深度增加。但温度过高，会使变形增 大，心部强度下降。 渗氮时，保温时间决定了氮原子的渗入深度。随着时间的延长，渗氮 层深度不断增加，并呈抛物线规律变化。即开始时增加速度快，随着时间 的延长，渗层深度的增加越来越慢。
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2、渗氮的特点 渗氮就是在一定温度下（一般在AC1温度下）使活性氮原子渗入工件表面 的化学热处理工艺。特点如下: ⑴、高硬度和高耐磨性 渗氮后零件表面硬度可以达到950～1200HV，而 且到600℃仍可维持相当高的硬度。这显然是渗碳淬火处理达不到的。由 于硬度高，耐磨性也很好。 ⑵、较高的疲劳强度 渗氮后的表面产生了较大的残余压应力，能部分 抵消疲劳载荷下产生的拉应力，延缓疲劳破坏过程，使疲劳强度显著提 高。 ⑶、良好的抗咬合性能及抗蚀性 渗氮后的零件中短时间缺乏润滑或过 热的条件下，不容易发生卡死或擦伤损坏，具有良好的抗咬合性能。并 且能抵抗大气、自来水、弱碱性溶液等的腐蚀，具有良好的抗蚀性。 ⑷、变形小 渗氮温度低，一般为480～580 ℃，升降温速度又很慢，处 理过程心部无组织转变，仍保持调质状态的组织，所以渗氮后的零件变 形小。 渗氮的缺点是工艺过程较长，如获得1mm深的渗碳层，渗碳处理仅要6～ 9h，而获得0.5mm渗氮层，渗氮处理需要40～50h.其次，渗层也较薄，不 能承受太大的接触压力。
他加工工艺如铸造、压力加工等
的特点是只通过改变工件的组织 来改变性能，而不改变其形状。 铸造 3、热处理适用范围:只适用于 固态下发生相变的材料，不发
生固态相变的材料不能用热处
理强化。 轧制
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4、热处理的作用 热处理是机械制造工艺中不可缺少的 组成部分，它是充分发挥金属材料的潜 力，改善零件加工工艺性能，提高材料 的使用性能，延长零件使用寿命的有效 手段， 根据加热、冷却方式的不同分为 退火、正火、淬火、回火、渗碳、渗氮 及感应加热淬火等多种热处理工艺，由 于热处理工艺不同，零件所获得的组织 结构也就不同，那么零件的性能也就不 同。因此，热处理在机械制造行业中被 广泛地应用，例如，汽车行业需要进行 热处理的零件占70%～80%；机床行业 占60% ～70%；轴承及各种模具则高达 100%.
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表1：常用的化学热处理方法及其作用
热处理方法
渗碳及碳氮共渗 渗氮及氮碳共渗 渗硫 硫氮及硫氮碳共渗 渗硼 渗硅 渗锌 渗铝 渗铬 渗钒
渗入元素
C或C、N N或N、C S
作用
提高工件的耐磨性、硬度及疲劳强度 提高工件的表面硬度、耐磨性、抗咬合能力及抗腐蚀能力 提高工件的减磨性和抗咬合能力
S、N或S、N、 提高工件的耐磨性、减磨性及抗疲劳、抗咬合能力 C B Si Zn AL Cr V 提高工件的表面硬度，提高耐磨性、抗腐蚀能力及红硬性 提高工件的表面硬度、提高抗腐蚀、抗氧化能力 提高工件抗大气腐蚀能力 提高工件抗高温氧化、抗含硫介质腐蚀能力 提高工件抗高温氧化、抗腐蚀能力及耐磨性 提高工件的表面硬度，提高耐磨性、抗咬合能力
化合物层 氮浓度低，化合物层偏薄， 氨分解率不宜过高，冷速适当调 不致密， 冷却速度太慢，氮化物分 整，入炉前应除尽锈斑 抗蚀性差 解造成疏松层偏厚，零件 锈斑未除尽
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2NH3→2［N］+3H2 Fe+ 2［N］ →Fe2N
CO2+H2→CO+H2O （Fe4N,Fe2～3N）
CO+H2→［C］+H2O
渗氮层的组织 Fe-N系可形成五种相：α相 氮在α –Fe中的间隙固溶体，也称含氮铁素体，
体心立方点阵。590℃时，氮在α –Fe 中的溶解度最大，氮的质量分数约为0.1%， 随温度下降， α相 缓慢析出γ’相。
硼铝共渗
铬铝共渗 铬铝硅共渗
B、AL
Cr、AL Cr、AL、Si
提高工件的耐磨性、抗腐蚀及抗高温氧化能力，表面脆性及抗剥落 能力优于渗硼
具有比单独渗铬或渗铝更优等耐热性能 提高工件的高温性能
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三、氮化
氮化处理又称为扩散渗氮。气体渗氮在1923年左右，由德国人Fry首 度研究发展并加以工业化。由于经本法处理的制品具有优异的耐磨性、 耐疲劳性、耐蚀性及耐高温，其应用范围逐渐扩大。例如钻头、螺丝 攻、挤压模、锻压模、螺杆、连杆、曲轴、及齿轮凸轮等均有使用。 常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。 我司曲轴氮化属于气体渗氮。 1、软氮化工艺参数的选择 氮化温度 Fe—N二元合金的共析温度为590℃，超过该温度界限， 会发生α→γ相变。而Fe—C—N三元合金的共析点是565 ℃（约 0.35%C，1.8%N），接近这个温度，氮在α—Fe中的溶解度最大， 所以一般认为软氮化温度以570℃最为合适。
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γ相 氮在γ –Fe中的间隙固溶体，也称含氮奥氏体，面心立方点阵，存在 于共析温度590℃以上，缓冷时发生γ相 共析转变，生成共析组织（а+γ’)； 如果快冷，则形成含氮马氏体。 γ’相 以Fe4-N为基体的固溶体，在680℃以下稳定存在。680℃以上转变 为ε相。 ε相 以Fe3-N为基体的固溶体，随温度降低， ε相 不断析出γ’相 。ξ相 为斜方晶格的间隙化合物，分子式为Fe2-N ，温度高于490 ℃ ， ξ相 转 变为ε相 。 因此，渗氮层组织由表及里为： ε→ ε + γ’ → γ’ → γ’ +а→а，如果表面 氮质量分数达到11%左右，则ε相 可能转变为ξ相 。因ε、 γ’、 ξ相抗蚀性 很强，在金相显微镜下为白亮层。
适当增大氨流量，保持炉内正压， 改进密封措施，出炉温度控制在 200℃以下。 降低并控制温度、降低调质时的 淬火温度，改进设计，尽量避免 尖角、锐边，调质处理的淬火工 序应在保护气氛炉中进行，或表 面脱碳层在机加时能完全切除。 渗氮前的磨削加工后期的进给量 减少，降低表面粗糙度，控制氨 分解率，勿使氮势过高
软氮化原理浅析
目录
一、 热处理的概述
二、化学热处理简介
三、氮化
一、热处理的概述
1、热处理概念 热处理是指对固态金属或合金采用适当方式加热、保温和冷却，以获 得所需要的组织结构与性能的工艺方法。 • 改善钢的性能，主要有两条途径： • 一是合金化 • 二是热处理
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2、热处理特点: 热处理区别于其
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5、热处理原理简介 热处理原理就是研究钢在加热和冷却过程中的组织和性能转变的 规律，五大转变（等温转变、回火转变、珠光体转变、贝氏体转变、 马氏体转变）四把火（淬火、正火、回火、退火）。
温度 温度 保温 加热 冷却
最基本的热处理工艺曲线
时间
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6、热处理分类 金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理 三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区 分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获 得不同的组织，从而具有不同的性能。 整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，获得需要 的金相组织，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处 理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。 表面热处理是以很大的功率密度对工件整体或局部加热，将工件一 定厚度的表面层加热到临界点以上，用淬火剂急冷，使表层组织转变为 马氏体，具有高的硬度、耐磨性、疲劳强度，而心部仍保持淬火前的组 织。 化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温， 使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热 处理工艺。
4、渗氮零件常见缺陷及防止措施 表2、渗氮零件常见缺陷及防止措施
缺陷内容 渗氮层硬 度低或硬 度不均匀 产生原因 防止措施
渗氮温度偏高；工件未洗净，经常校验仪表、热电偶，防止温控 表面有油污；调质硬度低； 器失灵；洗净油污；降低回火温度， 材料组织不均匀；密封不良、提高调质硬度，调整预备热处理工 炉盖等处漏气；装炉不当， 艺，更换石棉垫，加强密封、合理 气氛循环不良 装炉，保证气流畅通。
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氨分解率是指某一温度下，分解出来的氮和氢的混合气体占炉气总体 积的百分比。若氨分解率过低，大量的氨来不及分解，提供活性氮原子的 概率小，不仅渗氮速度低，而且还造成浪费。若分解率过高，炉气中几乎 全部由分子态的N2和H2组成，所提供的活性氮原子也极少，同时大量的H2 吸附中工件表面也将阻碍氮的渗入。 氨分解率取决于渗氮温度、氨气流量、炉内压力、零件表面积及有无催 化剂等因素。在渗氮过程中，常采用调节氨流量的方法控制氨分解率。 渗氮过程
渗氮层 厚度浅
装炉不当，零件未经调 提高氨分解率，合理装炉，保 质处理，零件考得太近， 证零件留有5mm以上的空隙， 气氛循环不良 通过调质处理使基体组织形成 致密的回火素氏体 表面出现ξ相（Fe2N) 提高氨分解率，或降低氨的流 量，通过退氨处理使ξ相→ε相 （Fe2～3N)
渗氮层 脆性大
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表面氧化 冷却时供氨不足，炉内负 色 压而吸入空气、炉门密封 不良、氨中含水过多，出 炉温度过高。 渗氮形成 网状、脉 状或鱼骨 状氮化物 渗氮温度太高、原始组织 晶粒粗大，零件有尖角、 锐边，表面脱碳严重，加 工粗糙度高，液氮含水量 太高、气氛氮势过高