软氮化原理浅析

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
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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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。
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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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
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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。
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
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。
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
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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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
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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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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。
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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。