氮化工件的氮化硬度与调质硬度之间的关系

氮化工件的氮化硬度与调质硬度之间的关系

摘要：本文从氮化金相组织结构原理上解释了42CrMo等材质的氮化件氮化硬度与调质硬度的关系，生产实践中必须注意调质硬度与氮化硬度的对应关系，如果调质硬度偏低，即使进行二次氮化，氮化硬度也很难达到要求值。

1 引言

一些氮化工件如：42CrMo 、35CrMo或38CrMoAl材质的蜗杆、接手、齿轮、齿条等工件，都要求先进行调质，然后再做氮化。对于其氮化硬度一般都要求大于HRC50或大于HRC55或更高。对于这一硬度要求，大家是比较重视的，但是对于氮化前的调质硬度，人们普遍都不够重视。认为它不过是一个预备热处理，是无关紧要的。其实这种认识是错误的，通过长期生产实践我们认识到工件氮化硬度与其调质硬度有着很密切的关系。对于调质硬度偏低的工件，其氮化后的硬度也偏低。即使进行二次返修氮化，硬度也上不去。以前人们认为影响氮化件硬度的主要因素是氮化温度，但是多年生产实践说明，这仅仅是试验室中得出的结论，比如：500℃渗氮和600℃渗氮相比，硬度有所提高。但是在生产实践中，氮化温度已经优化，比如520℃，再降低温度，比如500℃或者480℃，对其硬度影响很微小。而影响其硬度的主要因素，倒是其调质硬度。

2 42CrMo蜗杆调质硬度与氮化硬度的关系

例如：42CrMo材质的蜗杆，采用以氨气为气源的离子氮化，温度为520℃±10，调质硬度与氮化硬度的关系如表一所示。

表一42CrMo蜗杆氮化硬度与调质硬度的关系

Table 1 The relation between hardness of quench and tempering and nit riding hardness for worm

调质硬度 HB200-220 HB230-250 HB260以上

氮化硬度 HRC44-48 HRC49-52 HRC≥55

由以上数据可以看出，氮化硬度要求≥55HRC的蜗杆，其调质硬度必须在HB260 以上。这些数据都是从多年生产实践中总结出来的。

氮化工件的调质硬度与氮化硬度有以上关系的原因，可以从氮化原理方面进行解释。

3 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′）。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1 1.1-11.35%范围内，性脆、耐腐蚀。氮化层的组织习惯上都说成由白亮层、α＋γ′、α这三层组成。

合金钢中氮化层的形成，氮不仅与铁发生作用，而且与合金原素也发生作用。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，便与氮化物形成原素发生作用，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。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。

合金原素对氮化层的强化机理有两种解释，一是认为这些氮化物在渗层中是高度弥散均匀分布，对渗层起着弥散强化的作用。有人测定出38CrMoAl钢中的氮化物尺寸为200－300Å，主要分布在嵌镶块的边界上，对滑移有阻碍作用，从而产生显著的强化效果。二是近年耒提出的氮化强化机理，认为铝、铬、钼等合金元素，都显著提高氮化层硬度，是因为随着氮原子向里扩散，在渗层中依次产生：

⑴氮和合金原素的原子偏聚，形成所谓G-P区；

⑵有α〞-Fe16N型过渡氮化物的析出，使母相晶格产生很大的弹性畸变，由于与母相共格的偏聚区和过渡氮化物周围的弹性畸变应力场的作用，使位错运动受阻，从而硬度急剧提高。图1是G-P区示意图。

盘状G-P区

图1氮化过程中形成置换和间隙两种原子的混和G-P区示意图

Fig 1 Mixed area G-P schematic sketch for two kinds of atomus formed-displaced atom and interval atom in course of nitration

4 调质硬度与氮化硬度有相对应的关系

35CrMo、42CrMo等材质的蜗杆，在氮化前都要做调质处理。调质淬火一般均采用油冷，根据其连续冷却C曲线可知，经油冷淬火后，得到贝氏体十马氏体的混合组织。再经回火后，得到回火索氏体组织。回火温度低，硬度高、晶粒细；回火温度上升，硬度下降，晶粒也随着长大。

晶粒界与亚晶界乃是不同取向的晶体之间的界面，相邻晶体之间，只是取向不同，而晶体结构相同，化学组成也基本上是一样的。直到目前，人们认识到晶粒界的宽度相当窄，仅数个埃。

晶界吸附现象在钢中很普遍，试验证明，C、N、B、P等元素在钢中皆有不同程度的晶界吸附，根据这一理论，N在晶界处的含量是较高的。于是N在晶界处与合金元素及其他杂质形成第二相质点，对晶界运动起到阻碍作用。这样就使材料的强度、硬度提高。调质钢的调质硬度越高，回火温度越低，其晶粒越细、晶界

越密。氮化后吸附了较多N的晶界对晶面滑移的阻力越大。这就是从晶界和亚晶界理论解释调质硬度与氮化硬度有对应关系的原因。

从近年耒提出的氮化强化机理，如何解释调质硬度与氮化硬度的对应关系呢？我们可以这样来解释：调质硬度高、回火温度低、晶粒也细小，这样在晶粒内形成的G－P区及α〞-Fe16N型氮化物的析出也细小而弥散度高，于是对滑移的阻碍作用大，强度、硬度也高。这就是从近年耒提出的氮化强化机理解释调质硬度高氮化硬度也高的原因。以上两种理论，一个从晶界、一个从晶内这两个方面说明了生产实践中调质硬度高氮化硬度也高的现象。

5 提高大型蜗杆氮化硬度的方法

对于35CrMo、42CrMo等材质的蜗杆，我们采用氨气做气源的离子氮化，温度是520℃。因为温度过高氮化硬度会下降，温度过低氮化速度太慢，经济效益低。所以经过长期的生产实践我们选择了这一优化的氮化温度。

调质回火温度必须高于这一氮化温度。这样就影响了一些大型蜗杆的调质硬度。如长2米左右，齿部外园在φ3OOmm左右的蜗杆，油冷淬火后用高于520℃的温度回火时，硬度很难高于220HB，这就影响了其氮化硬度，于是我们改用水冷淬火，就很好地解决了这一问题。

6 结论

⑴氮化件的调质硬度与氮化硬度有互相对应的关系。

⑵氮化件氮化硬度与调质硬度之所以有这种关系，是由于氮化件的金相组织结构造成的。

⑶生产实践中为了保证工件的氮化硬度，必须使其调质硬度达到相对应的值。

在当今社会生产中，金属材料的应用是十分广泛的，尤其是钢铁材料，在工业。农业。交通运输。建筑以及国防等各方面都离不开他。随着现代化工农业以及科学技术的发展，人们对金属材料的性能要求越来越高。为满足这一点，一般可以采取两种方法：研制新材料和对金属材料进行热处理。后者是最广泛，最常用的方法。热处理是一种综合工艺。热处理工艺学就是研究这种综合工艺的原理及规律的一门学科。

热处理工艺在我国已有悠久的历史，早在商代就已经有了经过再结晶退火的金箔饰物，在洛阳出土的战国时代的铁锛，系由白口铁脱碳退火制成。在战国时代燕都遗址出土的大量兵器，向人们展示了在当时钢件已经采用了淬火，正火，渗碳等工艺。近代出土的秦兵俑佩带的长剑，箭镞等都有力的证明当时已经出现铜合金的复合材料，而且还掌握了精湛的表面保护处理方法，从而保持输千年不锈。

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