常用材料离子渗氮.doc

常用材料离子渗氮硬度、深度参考范围材 料原 始 组 织离 子 渗 氮 结 果常用渗氮温度范围类别序号牌 号预先热处理硬 度表面硬度HV5深 度化合物层（m）总深（mm）碳1纯铁退 火1301501020520570钢210；15原 材 料3004001020345正 火25040010204T10球化退火2003001020合518CrNiW6508500.200.50520550金618CrMnMoB调 质6508500.200.50结718Cr2Ni4WA调 质HRC276008000.200.50构820Cr正 火HB170/1906007500.200.50钢调 质HB190/2105507500.200.50920CrMnTi正 火HB180/2006508000.200.50调 质HB200/2206008000.200.501020Cr2Ni4A调 质HRC15/325506500.200.501125CrMoV调 质6008000.200.501225Cr2MoV调 质7008500.200.501330CrNi3调 质5006500.200.501435CrMo调 质HRC325007000.200.50调 质HRC255006500.200.501535CrMoV调 质HB280/3205507000.200.501635CrMnSi调 质HB2505007000.200.50材 料原 始 组 织离 子 渗 氮 结 果常用渗氮温度范围类别序号牌 号预先热处理硬 度表面硬度HV5深 度化合物层（m）总深（mm）合1735CrMnTi正 火6507500.200.50520550金1835SiMn2MoV超声硬度HRC48/520.200.50结1940Cr正 火HB200/2205007000.200.50构调 质HB210/2405006500.200.50钢20Y40Mn冷 轧4005500.200.502140MnB4005000.200.502240CrNiMo调 质HRC26/274506500.200.502340CrMnMo调 质HB220/2505507000.200.502440Mn2调 质4005500.200.502542CrMo调 质HRC29/325507000.200.502645MnMoB调 质HB2504505500.200.5027PCrMo调 质HRC30/405007000.200.5028PcrNi3Mo调 质HRC32/384506000.200.50渗2925Cr2MoAl调 质HV26085011000.300.60 二段：520/530+560/580氮3030CrMoAl正 火HB207/21785010500.300.60 520550钢调 质HB217/2238009000.300.603130CrMnAl正 火HB187/21780010000.300.60调 质HB223/2287508500.300.603238CrMoAl调 质HB26085012000.300.60 二段：520/530+560/580 540580材 料原 始 组 织离 子 渗 氮 结 果常用渗氮温度范围类别序号牌 号预先热处理硬 度表面硬度HV5深 度化合物层（m）总深（mm）工3325CrNi3MoAl调质+时效HRC40100011500.150.30520550模3425Cr3Mo3VNb调 质HRC48100011050.150.30具353Cr2W8一般退火HB20085010000.150.30钢球化退火HB2866509000.150.30调 质HB39685010000.150.30淬火+回火HRC45/47100012000.100.25365CrNiMo退 火5506500.200.40调 质HRC416007500.200.40375CrMnMo调 质HRC416509000.200.40385Cr2NiMoV调 质HRC418009500.150.30398Cr2MnMoWVS调 质HRC4585010500.150.30409Mn2V淬火+回火HRC404506000.200.4041CrWMn退 火3505500.200.40调 质HB2604506500.200.40淬火+回火HV8508809200.150.2542GCr15轧 制3004500.200.40淬火+680回火HRC274004500.200.40淬火+530回火HRC385506500.200.4043Cr12退 火5506500.100.20淬火+回火HRC5085011000.100.2048052044Cr12MoV退 火HB207/2208509500.100.20520550淬火+回火HRC59/62100012000.100.20470500材 料原 始 组 织离 子 渗 氮 结 果常用渗氮温度范围类别序号牌 号预先热处理硬 度表面硬度HV5深 度化合物层（m）总深（mm）工45W6Mo5CR4V2淬火+回火HRC65HV0.1100013000.020.10480520模具46W18Cr4V淬火+回火HRC65HV0.1100013000.020.10钢47M42淬火+回火HRC68120014000.020.10不481Cr18Ni9Ti固 溶HV16295012000.080.15580620锈491Cr18Ni11Nb固 溶H080.15560580耐50174Pb固溶时效HV44095012000.080.15560600酸512Cr13调 质HV24095012000.100.30钢523Cr17MoHB280/34095012000.100.30534Cr9Si2淬火+740回火HRC3195012000.100.30520560544Cr14Ni14W2MoHV23270010500.060.12540600554Cr14Ni24Ti2MoAlVB淬火+时效HV400100012000.050.10580620569Cr18退 火HV23290011000.120.20560600淬火+回火HRC52110013500.050.1057Cr26Mo1轧 制HV200超声硬度HRC50/700.080.20二段：550+650/750铸58HT20-40铸 态HB2033005005150.100.30540580铁59QT60-2正 火HB2414007005150.100.3060CrMoCu铸 态HB2553004505150.100.30钛61TA2（纯钛）退 火HV160/190HV0.0585016000.050.25800950合62TA7（钛合金）退 火HV330/350HV0.05100018000.050.20金63TC4（钛合金）退 火HV280/320HV0.0585016000.050.20材 料原 始 组 织离 子 渗 氮 结 果常用渗氮温度范围类别序号牌 号预先热处理硬 度表面硬度HV5深 度化合物层（m）总深（mm）粉64纯 铁 系密度6.07.2g/CmHV135/57HV1456650.180.60560580末65Fe+0.5%C密度6.5g/CmHV160HV18260.100.50冶66Fe+0.5%C+1.5%Cu密度6.5g/CmHV175HV111060.100.50金67Fe+0.5%C+1.0%Cr密度6.5g/CmHV190HV1170110.050.40+0.25%Mo+0.6%Mn其68Ni36CrTiAl弹性合金5006000.060.10560600他69FeCeAl合金消噪合金11001400520560新工艺大幅提高氮化渗层或缩短氮化工艺时间。 本企业通过长时间研究，多次实验后发现一种新的工艺方式。在单位时间内大幅度提高渗层或缩短工艺时间上有了极大的提高。主要使用了改变工艺和介质的两中方式。典型材料和实验结果：注：实验过程为保证结果统一性，是按照同一标准进行实验。本公司可根据客户技术需要调整工艺时间。脉冲等离子体渗氮技术 渗氮是在一定条件下将氮渗入金属表面从而提高金属材料表面综合机械性能的一种表面热处理方法。它广泛用于铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢及钛金属等材料的表面强化、提高材料表面硬度、抗疲劳强度、抗腐蚀性能和抗粘接能力。一、常用的渗氮方法 常用的渗氮方法有：固体渗氮、液体渗氮、气体渗氮、脉冲气体渗氮（气体周期改变）、直流等离子体渗氮（又称辉光离子氮化）、脉冲等离子体渗氮（电源周期供电）等。从渗入的机理来看，主要有两大类： 第一类基于浓度梯度：如固体渗氮（已很少采用）、液体渗氮、气体渗氮等，这类渗氮通常采用电炉将采用的含氮介质加热，通过含氮介质传递热能够，使被处理零件达到处理温度，以浓度梯度作为氮元素渗入的驱动力。第二类基于电场的作用：如直流等离子体渗氮、脉冲等离子体渗氮等。在一定的真空条件下，通过微量的含氮气体，利用辉光放电产生电子和离子，离子直接轰击零件传递热能，使被处理零件达到处理温度，通过离子、活性原子与表面的复杂作用将氮元素渗入金属表面。近年来人们通过尝试在真空容器内周期性供气来改善渗氮结果也获得了成功。其加热方式应归与第一类，这类方式通过气体周期性的变化，能获得更多的活性原子一定程度上改变了渗氮效果，与基于电场的作用有某种类似。无论是基于第一类还是第二类渗氮原理，尽管氮元素与零件的表面相互作用不尽相同，但在渗入金属内部后渗层深度的增长仍然符合扩散定律。二、各种渗氮方法优缺点比较 我们把几种渗氮方法的特点比较列入下表：渗氮方法加 热方 式 能 耗 环 境 污 染表 面 脆 性 运 行 成 本 操 作方 式处 理 时 间 液体渗氮 间 接 中 等 严 重 一 般高较复杂短 气体渗氮 间 接 高 轻易 脆 中 简 单长 直流渗氮 直 接 低 无 好 低 复 杂 短 脉冲渗氮 直 接 最 低 无 好 最 低 复 杂 短脉冲气体渗氮间 接中 等 轻 一 般 中 简 单 较 长 在等离子体渗氮工艺产生以前，主要的渗氮方式为：液体渗氮、气体渗氮。 早期的液体渗氮方式含氰化物。由于需在渗氮盐中加入带有巨毒的氰化物，劳动条件恶劣，环境污染严重。上个世界末，很多国家明令禁止在盐浴成分中使用氰化物作为添加剂。目前的液体渗氮方法已不含氰化物，但需要经常测试、调整成分，工艺复杂。液体渗氮设备投资小，每炉处理时间短，处理结果均匀，变形相对较大，组织结构比较疏松，防腐性能差，最主要的还是产生大量废盐，处理成本高。气体渗氮是将处理炉内通过略高入大气压力的氨气，通过电炉将被处理零件加热到渗氮所需温度然后长时间保温。其设备投资相对较低，结构简单，装炉简单，其处理过程产生的化合物层含氮浓度高，表层易产生网状及脉状组织，脆性大，变形较大，实际运用中常常将化合物层磨掉，处理过程中氨气消耗量大，电耗较大。脉冲气体渗氮是在较低的这些很空状态下进行，通过周期性置换炉内氨气，提高氮的活性，在保留气体渗氮特点的同时，设备投资略有增加，较气体渗氮有一定的改善，但耗气量仍然较大，处理成本略有增长。等离子体渗氮包括直流等离子体渗氮和脉冲等离子体渗氮。等离子体渗氮：是在真空容器中通入压力为1.3103 1.3103Pa 的氨气或氮氢混合气体，在电场作用下，气体电离，正离子轰击金属零件表面通过一系列的物理和化学过程形成氮化层，以达到表面硬化的方法。直流等离子体渗氮与气体氮化相比：由于它是通过离子的轰击直接加热，能耗下降20%以上；具有更多的活性原子和离子，渗速快，尤其潜层渗氮效果更为明显；渗层质量好，表层不产生网状及脉状组织，脆性符合国家一、二级标准；变形小，由于渗氮与溅射的综合作用，六级精度齿轮渗氮后无需后处理；无环境污染，氨气消耗仅为气体渗氮的1%左右；由于表面活化，有利与不锈钢渗氮等。等离子体渗氮时，出现弧光放电现象不可避免。直流等离子渗氮采用可控硅整流技术，由于可控硅只有进入负半周才能完全截止，灭弧时间在毫秒级，尽管在电路上做了许多保护，仍然难以完全消除因弧光放电造成少量零件损坏。操作过程比前述的其他渗氮方法更为复杂等。 针对直流等离子体渗氮带来的一些问题，人们又研究出脉冲等离子体渗氮技术。关于脉冲等离子体渗氮技术的特点我们放在第三节做专门介绍。三、脉冲等离子体渗氮 脉冲等离子体渗氮技术是上世纪九十年代发展起来的渗氮新工艺。与直流等离子体渗氮相比：除保留了直流等离子体渗氮的优点外，并具有以下改进节能：电源无功损耗减小、打弧时间大大缩短，约节约2030%电能，生产成本低；能迅速灭弧，灭弧时间约1520s，不损伤零件，渗氮零件表面质量好；适应带有深孔、狭缝形状复杂零件的处理，能有效地提高氮化工件温度的均匀性及氮化层组织的均匀性；工艺参数独立可调，工艺范围宽，操作简便等特点。由于脉冲电源的输出特性，使得我们能够通过直流部分给定输出电压并维持峰值电流（在工艺条件不变时）；而通过改变占空比调节输出平均电流；以及电源周期的关断特性赋予了脉冲等离子体渗氮的许多新特性。1、 工艺参数独立可调 脉冲等离子体渗氮工艺的优点之一是工艺参数与物理参数独立可调。这是因为在直流电源条件下，既要满足零件表面的电流密度要求，又要满足零件保温电流的要求，两者互相影响，使得电压、电流、工艺条件互相影响，并使操作过程变得复杂和难以控制。而在脉冲电源条件下，电流密度由峰值电流满足，保温电流有平均电流满足，可由两个独立参数分别调节。因此，工艺参数可在较大范围内变动。如图一所示： 我们所要做的仅是调整占空比，使虚线位置上下移动，以获得加工所需要的平均功率。PPmaxt图一 脉冲电源功率波形（实线为瞬时功率，虚线下面积为平均功率）2、 灭弧速度快 灭弧速度快，可以避免零件弧光灼伤。弧光放电是等离子体渗氮不可避免的一个工程，由于零件表面附着的油膜及污物（不可能绝对清洗干净，当然清洗的越干净越好）形成等离子鞘层产生电荷积累形成很大的场强，在一定条件下从而引发弧光放电。在直流电源条件下，由于可控硅的导通特性使得迅速灭弧存在很大的困难。 而脉冲电源是一个周期关断性开关电源，脉冲频率在1K的电源自身在数百s就有一次关断，电源本身就有抑制弧光迅速发展的特点，为了保证不灼伤被处理工件，在电路处理上我们一旦发现弧光放电趋势，就立即关断电源，然后重新点燃电源，根据我们的实验这些工作灭弧在1520微秒内完成。当然这个参数也可以调整，表面复杂要求高的工件我们可以将灭弧时间在更短的时间内完成；而对于表面简单要求相对较低的工件，可以延长灭弧时间，这主要是为了兼顾保护工件和缩短处理时间而定。3、 无需堵孔、有利于深孔、狭缝、微孔的渗氮 减少或无需堵孔、可在深孔、狭缝、微孔内实现氮化。在等离子体渗氮处理时，对于零件内部的封闭孔可能产生阴极位降层重叠的现象，在重叠区域电子和离子异常活跃，很容易过度到弧光发电，我们称之为空心阴极效应。脉冲电源易于抑制这种活跃现象，建立一个亚稳态，使得深孔、狭缝、微孔内实现氮化成为可能。而对于直流条件下，在工作上很多孔需要在处理前进行封堵，处理后又需要拆堵，给操作造成了不便，采用脉冲电源可能减少和避免这些操作。4、 节能 节电在2030%以上。与直流电源相比，由于可控硅器件特性，在设计直流电源时，不得不设计一个限流电阻，以限制电流的迅速增长，这个电阻阻值最小也在2左右，在150A满载输出的条件下，仅此就可以节电27.36KW/h，加上提高了综合效率，节电至少在35%以上。5、 处理质量好，变形小，利于提高层深 由于脉冲电源对弧光放电的抑制作用，弧光在零件表面作用时间极短，可获得高质量的表面，绝无弧损伤。并且由于提高了温度均匀性，零件变形小。由于其改善了工艺条件，在相同的时间内或者不利于渗氮的条件下，能提高层深。 6、能提高设备的利用率 在直流电源条件下，由于工艺数和物理参数的影响，再保温时电压的调节范围通常在650V左右，而采用脉冲电源，电压调节范围提高，例如在处理狭缝时可将电压提高到900V，增加了电源的有效率输出。 7、有利与深孔、狭缝、微孔的渗氮 由于脉冲电源对空心阴极的抑制作用，我们通过工艺实验，在型腔0.6mm的铝型材料积压模具内实现了氮化，也在3340mm的深孔内实现了氮化。四、结论 脉冲电源由其区别与直流电源的特性获得了很多的优良特性，无疑其应用前景十分广阔。与支流电源相比，它具有以下优点：1、 工艺参数独立可调，操作更简便；2、 打弧速度快；3、 能有效抑制空心阴极；4、 节能；5、 处理零件质量好、变形小、有利于提高层深；6、 缩短工艺时间、提高设备利用率；7、 有利于深孔、狭缝、微孔氮化加工。设备炉体部分型号以及参数：设备LDMC系列脉冲电源的主要参数：离子渗氮前预先热处理工艺的制订原则 为了保证渗氮件心部具有必要的力学性能（也称机械性能），消除加工过程中的内应力，减少渗氮变形，为获得良好的渗氮层组织性能提供必要的原始组织，并为机械加工提供条件，零件渗氮前必须进行不同的预先热处理。1、氮化工艺参数对预先热处理工艺的要求预先热处理中最后一道工序的加热温度至少要比渗氮温度高2040。否则，零件在氮化过程中其心部组织及力学性能将发生变化，零件的