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鋼 的 滲 碳 和 滲 氮
鋼的滲碳---就是將低碳鋼在富碳的介質中加熱到高溫(一般為900--950C),使活性碳原子滲入鋼的表面,以獲得高碳的滲層組織。隨后經淬火和低溫回火,使表面具有高的硬度、耐磨性及疲勞抗力,而心部仍保持足夠的強度和韌性。
滲碳鋼的化學成分特點
(1)滲碳鋼的含碳量一般都在0.15--0.25％范圍內,對于重載的滲碳體,可以提高到0.25--0.30％,以使心部在淬火及低溫回火后仍具有足夠的塑性和韌性。但含碳量不能太低,否則就不能保證一定的強度。
(2)合金元素在滲碳鋼中的作用是提高淬透性,細化晶粒,強化固溶體,影響滲層中的含碳量、滲層厚度及組織。在滲碳鋼中通常加入的合金元素有錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、硼等。
常用滲碳鋼可以分碳素滲碳鋼和合金滲碳鋼兩大類。
(1)碳素滲碳鋼中,用得最多的是15和20鋼,它們經滲碳和熱處理后表面硬度可達56--62HRC。但由于淬透性較低,只適用于心部強度要求不高、受力小、承受磨損的小型零件,如軸套、鏈條等。
(2)低合金滲碳鋼如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其滲透性和心部強度均較碳素滲碳鋼高,可用于制造一般機械中的較為重要的滲碳件,如汽車、拖拉機中的齒輪、活塞銷等。
(3)中合金滲碳鋼如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和較高的強度及韌性,主要用以制造截面較大、承載較重、受力復雜的零件,如航空發動機的齒輪、軸等。
固體滲碳 ;液體滲碳 ;氣體滲碳---滲碳溫度為900--950C,表面層w(碳)為0.8--1.2％,層深為0.5--2.0mm。
滲碳后的熱處理---滲碳工件實際上應看作是由一種表面與中心含量相差懸殊碼復合材料。滲碳只能改變工件表面的含碳量,而其表面以及心部的最終強化則必須經過適當的熱處理才能實現。滲碳后的工件均需進行淬火和低溫回火。淬火的目的是使在表面形成高碳馬氏體或高碳馬氏體和細粒狀碳化物組織。低溫回火溫度為150--200C
滲碳零件注意事項:
(1)滲碳前的預處理正火--目的是改善材料原始組織、減少帶狀、消除魏氏組織,使表面粗糙度變細,消除材料流線不合理狀態。正火工藝;用860--980C空冷、179--217HBS
(2)滲碳后需進行機械加工的工件,硬度不應高于30HRC。
(3)對于有薄壁溝槽的滲碳淬火零件,薄壁溝槽處不能先于滲碳之前加工。
(4)不得用鍍鋅的方法防滲碳。
防止滲碳方法
(1)加大余量法---在不需要滲碳的部位預先留出一定的加工余量,其留量比滲碳層深度大一倍以上。滲碳后先車去滲碳層再轉淬火。
(2)鍍銅法---在不需滲碳的部位電鍍一層0.02--0.04mm的銅,銅層要致密,不得暴露原金屬。
(3)涂料法---在不需滲碳的部位涂上防滲涂料。
(4)工裝法----自制專用工裝,把不需滲碳的部位封閉密封。 ! w4 C! o/ s: A9 z8 V
鋼的滲氮---(強化滲氮;抗蝕滲氮)使氮原子滲入鋼的表面,形成富氮硬化層的一種化學熱處理工藝。與滲碳相比，滲氮處理后零件具有:高的硬度和耐磨性,高的疲勞強度,較高的抗咬合性,較高的抗蝕性,滲氮過程在鋼的相變溫度以下(450-600C)進行,因而變形小,體積稍有脹大。缺點是周期長(一般氣體滲氮土藝的滲氮時間長達數十到100h)、成本高、滲層薄(一般為0.5mm左右)而脆,不能承受太大問接觸應力和沖擊載荷。
滲氮用鋼---從理論上講,所有的鋼鐵材料都能滲氮。但我們只將那些適用可滲氮處理并能獲得滿意效果的鋼才稱為滲氮用鋼。凡含有Cr、Mo、V、Ti、Al等元素的低、中碳合金結構鋼、工具鋼、不銹鋼(不銹鋼滲氮前需去除工件表面的鈍化膜,對不銹鋼、耐熱鋼可直接用離子氮化方法處理)、球墨鑄鐵等均可進行滲氮。
滲氮后零件雖然具有高硬度、高耐磨性和高的疲勞強度,但只是表面很薄的一層(鉻鉬鋁鋼于500--540C經35--65h滲氮層深只達0.3--0.65mm) 。必須有強而韌的心部組織作為滲氮層的堅實基底,才能發揮滲氮的最大作用。總的來看,大部分滲氮零件是在有摩擦和復雜的動載荷條件下工作的,不論表面和心部的性能都要求很高。
如果用碳鋼進行滲氮,形成Fe 4N和Fe 2N較不穩定。溫度稍高,就容易聚集粗化,表面不可能得到更高的硬度,并且其心部也不能具有更高的強度和韌性
為了在表面得到高硬度和高耐磨性,同時獲得強而韌的心部組織,必須向鋼中加入一方面能與氮形成穩定氮化物,另外還能強化心部的合金元素。如Al、Ti、V、W、Mo、Cr等,均能和氮形成穩定的化合物。其中Cr、W、Mo、V還可以改善鋼的組織,提高鋼的強度和韌性。
目前專門用于滲氮的鋼種是38CrMoAlA,其中鋁與氮有極大的親和力,是形成氮化物提高滲氮層強度的主要合金元素。AlN很穩定,到約1000C的溫度在鋼中不發生溶解。由于鋁的作用使鋼具有良好的滲氮性能,此鋼經過滲氮表面硬度高達1100--1200HV(相當67--72HRC)。38CrMoAlA鋼脫碳傾向嚴重,各道工序必須留有較大的加工余量。
一般零件 表面耐磨 20Cr
沖擊載荷下的零件 表面耐磨、心部剛性強 18Cr2Ni4WA
重載荷下的零件 表面硬度、心部強度都較高 40Cr
沖擊和重載荷下的零件 表面耐磨、心部韌性、強度都高 30CRNiMoA
精密零件 表面硬度、心部強度都高 38CrMoAlA
對高硬度、高耐磨性要求的氮化件,不宜選用碳鋼和一般合金鋼。
對以提高抗蝕性能為主的氨化件可選用碳鋼和一般合金鋼。
滲氮零件注意事項:
(1)滲氮前的預備熱處理調質--滲氮工件在滲氮前應進行調質處理,以獲得回火索氏體組織。調質處理回火溫度一般高于滲氮溫度。
(2)滲氮前的預備熱處理去應力處理--滲氮前應盡量消除機械加工過程中產生的內應力以穩定零件尺寸。消除應力的溫度均應低于回火溫度,保溫時間比回火時間要長些,再緩慢冷卻到室溫。斷面尺寸較大的零件不宜用正火。工模具鋼必須采用淬火回火,不得用退火。
(3)滲氮零件的表面粗糙度Ra應小于1.6um,表面不得有拉毛、碰傷及生銹等缺陷。不能及 時處理的零件須涂油保護,以免生銹。吊裝入爐時再用清潔汽油擦凈以保證清潔度。
(4)含有尖角和銳邊的工件,不宜進行氮化處理。
(5)局部不氮化部位的保護,不宜用留加工余量的方法。
(5)表面未經磨削處理的工件,不得進行氮化。
防止滲氮方法
(1)鍍錫法---在防滲表面鍍10--15um的錫層,防滲層太薄則效果差,厚了又容易使錫漫流。
(2)涂料法---將錫粉、鉛粉、氧化鉻粉以3:1:1比例混勻,用氯化鋅浴液調成稀糊狀涂于零件防滲表面,或用水玻璃(質量分數為10--15％)和石墨粉(質量分數為85--90％)調成糊狀涂刷后,緩慢烘干。
(3)工裝法----自制專用工裝,把不需滲氮的部位封閉密封。
滲氮后的零件,工作表面即能獲得高硬度,一般情況下不再進行其他加工,因此常是最后一道工序(氮化后的工件至多再進行精磨或研磨加工)。可得到600--1200HV的表面硬度,耐磨性很高。這一高硬度可保持引500C(長期),甚至600C(短期),疲勞極限可提高30--300％,抗蝕性能也得到提高。
鋼的碳氮共滲---就是將碳、氮同時滲入工件表層的化學熱處理過程(加熱溫度高于臨界溫度Ac1或Ac3 ,不宜高于900C,以吸收碳原子為主)。兼有兩者的長處,這種工藝有逐步代替滲碳的趨勢。主要優點如下:
(1)滲層性能好---共滲層比滲碳層的耐磨性和疲勞強度更高,比滲氮層有更高的抗壓強度和較低的表面脆性。
(2)滲入速度快---由于氮的滲入不僅降低了滲層的臨界點,同時還增加了碳的擴散速度。
(3)變形小---碳氮共滲溫度比滲碳低,晶粒不會長大,適宜于直接淬火,可以減小變形。
(4)不受鋼種的限制---各種鋼鐵材料都可以進行碳氮共滲。但是,由于碳氮共滲零件的滲層較薄,為了提高心部強度,因而多選用含碳較多門鋼,w(c)可達0.5％;對于要求表面高硬度、高耐磨性的零件，常采用40Cr , 40CrMo ,40CrNiMo , 40CrMnMo等中碳合金結構鋼
碳氮共滲的缺點是共滲層較薄,易產生黑色組織。 7 q( |5 h2 [& z) R0 b
資料主要來源<簡明金屬熱處理工手冊> |
發表于 2006-10-7 11:59:46
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發表于 2006-10-7 12:08:18
