钢的渗氮技术及检验参考幻灯片

• 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。
渗氮钢及预先热处理
氮化钢的合金化
➢合金元素与钢的氮化工艺
氮化工艺的要求：
• 氮化表面的高硬度； • 氮化表面的脆性满足要求； • 获得足够深的氮化层深度； • 尽可能缩短氮化时间。
➢ 氮化钢的硬度和耐磨性主要取决于合金氮化物的数 量、大小、种类和分布。但是由于钢中含有一定量 的C，因而氮化时总是形成碳氮化合物相。
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′）。
氮化层的组织习惯上都说成由白亮层、α＋γ′、 α这三层组成。
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。
度，使含钛、铌、钒的碳化物溶于奥氏体中，增大钢的淬 透性。 ➢ 要使氮化过程中扩散进入α相的氮原子能与钒、钼、铬、 铝等原子形成超细微的氮化物，对α相基体起有效的硬化 作用，那么，在调质处理淬火时，首先要使这些元素较多 地溶入奥氏体，淬火成马氏体时使这些元素被保留在马氏 体中。
渗氮钢及预先热处理
合金元素与回火
– 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软氮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。
• 离子氮化处理温度可从350℃开始，由于考虑到材质及其相关机械性质 的选用处理时间可由数分钟以致于长时间处理，本法与过去利用热分解 化学反应氮化的处理法不同，本法系利用高离子能之故，过去认为难处 理的不锈钢、钛、钴等材料也能简单的施以优秀的表面硬化处理。
渗氮钢及预先热处理
氮化钢的特点
➢ 优点
• 明显提高零件疲劳强度和耐磨性； • 具有对水、油等介质的耐腐蚀的能力； • 零件的变形量很小； • 氮化层在较高的温度仍能保持其硬度。
0率.0视2～流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～变12，00流，量又愈极大脆则，分NH解3度之愈分低解，
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
• 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
• 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。
➢ 铬、钼、钒元素溶入马氏体中时，分别能使钢在 400～500℃、500～600℃、550～650℃回火时保持 高的强度。
➢ 钼可使钢在510～580℃氮化长期保温和随后炉冷时， 不致产生回火脆化。
氮化Βιβλιοθήκη Baidu种
类别 碳素结构钢
合金结构钢
不锈耐酸钢 耐热钢
合金工具钢 高速工具钢
球墨铸铁 钛合金
牌号
08（F）、10、15、20、45、60
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。
➢ 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。
钢的渗氮技术及检验
2013年7月
• 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
目录
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。
➢ 缺点
• 生产周期长，成本高。
渗氮钢及预先热处理
氮化处理后的性能
➢表面硬度
要求高耐磨性的零件，表面硬度高达HV900～1000； 仅要求高疲劳强度的零件，表面硬度可以为HV500～800。
➢心部硬度
在氮化处理前零件经受调质处理，零件硬度为HV200～ 300，为回火索氏体组织，经氮化处理后，心部还具有良 好的综合机械性能。
离子氮化
• 此一方法为将一工件放置于氮化炉内，预先将炉内抽成真空达10-2～103ToTorrr，r（将㎜炉H体g）接后上导阳入极N，2气工体件或接N上2阴+ 极H2，之两混极合间气通体以，数调百整伏炉之内直达流1～电1压0， 此 阴时极炉电内压急之剧N2下气降体，则使发正生离光子辉以放高电速成冲正向离阴子极，表向面工，作将表动面能移转动变，为在气瞬能间， 使得工件表面温度得以上升，因氮离子的冲击后将工件表面打出Fe.C.O. 等元素飞溅出来与氮离子结合成FeN，由此氮化铁逐渐被吸附在工件上 而产生氮化作用，离子氮化在基本上是采用氮气，但若添加碳化氢系气 体则可作离子软氮化处理，但一般统称离子氮化处理，工件表面氮气浓 度 化 在可时10改，μn变在以炉工内内作，充表此填面化的得合混 单物合 相层气 的强体r韧′（（而FNe非42N多+）H孔组2）质织的层含分，N压不量比易在调脱5.节落7～得，6之由.1，于%w纯氮t，离化厚子铁层氮不 断 → 相 化的ξ氢F（e被气3FN工系e→2N件时）F吸使e含4附其NN并变顺量扩成序在散ε变1相1至化之.0内，～化部单1合1，相.物3由ε5层（%表与Fw面et扩，3至N散离）内层子含部，氮N的由量化组于在首织扩5先即.7散生～为层成1F1的er.相N0增%再→加w添tF对，加e疲2单碳N 劳强度的增加有很多助。而蚀性以ε相最佳。
20MnV、20SiMn2MoV、25SiMn2MoV、37 SiMn2MoV、15MnVB、20 MnVB、40 MnVB、20Si MnVB、15Cr、20Cr、30Cr、35Cr、40Cr、15CrMo、38CrSi、 20CrMo、30 CrMo、35 CrMo、42 CrMo、12 CrMoV、35 CrMoV、25Cr2MoVA、 20Cr3MoWVA、38CrMoAl、20CrV、40 CrV、50 CrVA、15CrMn、20CrMn、 40CrMn、20CrMnSi、25 CrMnSi、30 CrMnSi、30CrMoAl、30CrMnAl、 30CrMnSiA、20CrMnMo、40 CrMnMo、20 CrMnTi、30 CrMnTi、12Cr2Ni4、 20 Cr2Ni4、20CrNiMo、40CrNiMoA、45CrNiMoVA、18Cr2Ni4WA、25 Cr2Ni4WA
➢ 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。
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。
氮化方法
• 渗氮方法：
– 气体渗氮 – 液体渗氮 – 固体渗氮 – 离子渗氮。
氮化方法
气体氮化
• 气体氮化系于1923年由德国AFry 所发表，将工件置于炉内，利
NN钢HH的33气 气表直分面接解产输为生进原耐子5磨0状0、～态耐5的腐50（蚀℃N之的）化氮气合化与物炉（层内H为，）主保气要持而目2进0的行～，渗10其氮0小厚处时度理，约，使为在使
液体氮化
• 液含物体F，e软液2N氮体ξ相化软氮主氮化要化物不的，同 方ξ是 法相在 是化氮 将合化 被物层 处硬里 理脆之 工在有 件氮F，化e先处3N除理ε相锈上，，是F脱不e4脂良N，r于相预韧存热性在后的而再氮不置化 于氮化坩埚内，坩埚内是以TF – 1为主盐剂，被加温到560～600℃处 理数分至数小时，依工件所受外力负荷大小，而决定氮化层深度，在 处理中，必须在坩埚底部通入一支空气管以一定量之空气氮化盐剂分 解为CN或CNO，渗透扩散至工作表面，使工件表面最外层化合物8～ 9%wt的N及少量的C及扩散层，氮原子扩散入α – Fe基地中使钢件更 具耐疲劳性，氮化期间由于CNO之分解消耗，所以不断要在6～8小 时处理中化验盐剂成份，以便调整空气量或加入新的盐剂。
• 液体软氮化处理用的材料为铁金属，氮化后的表面硬度以含有 Al，Cr， Mo，Ti元素者硬度较高，而其含金量愈多而氮化深度愈浅，如炭素钢 Hv 350～650，不锈钢Hv 1000～1200，氮化钢Hv 800～1100。
• 液体软氮化适用于耐磨及耐疲劳等汽车零件，缝衣机、照相机等如气 缸套处理，气门阀处理、活塞筒处理及不易变形的模具处。采用液体 软氮化的国家，西欧各国、美国、苏俄、日本。
– 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。
渗氮钢及预先热处理
不同氮化钢的氮化层深度与硬度的关系
渗氮钢及预先热处理
合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响
渗氮钢及预先热处理
钢的淬透性和淬火工艺 氮化钢在氮化以前要进行调质处理，因此就必须考 虑钢的淬透性和其它淬火工艺性能。
➢ 铝是非碳化物形成元素，铝的存在并不增加钢中碳化物的 溶解温度；
➢ 铬、钼是增大钢的淬透性重要的元素； ➢ 钛、铌、钒等强碳化物形成元素存在时，需要提高淬火温
➢ 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。