钢的渗氮技术及检验PPT课件

1、渗氮技术与钢的检验，2013年7月，2，目录，渗氮方法的基本原理渗氮钢和预热处理渗氮工艺及实践渗氮设备质量检验渗氮硬化层深度和金相组织检验渗氮中常见问题分析，3，渗氮基本原理，渗氮定义：氮原子在一定温度下渗入工件表面的化学热处理过程。钢的渗氮通常在480580进行，而耐蚀渗氮或含钛量超过2%的钢的渗氮温度一般不超过650。渗氮层表面硬度高，表面处于压应力状态，可显著提高钢的耐磨性、疲劳强度、耐蚀性和抗划伤性。当长时间加热到500以下时，氮化层的硬度基本保持不变。渗氮的目的是提高钢零件的表面硬度、耐磨性、抗疲劳性和耐腐蚀性。渗氮的基本原理在传统的气体渗氮中，工件被放入一个密封的容器中，用流动的氨

2、气加热。经过长时间的保温后，氨气被热分解产生活性氮原子，这些活性氮原子持续吸附在工件表面并扩散到工件表层，从而改变表层的化学成分和结构，获得优异的表面性能。如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，这就叫做氮碳共渗。通常使用气体氮化和离子氮化。氮化原理氮化后，由于氮的渗入，零件的表面结构会发生变化。从铁-氮系统的状态图可以看出，有五个相，即相、相、相、相和相。相是氮在-Fe中的间隙固溶体，相将在相的缓慢冷却过程中析出。相是氮在-Fe中的间隙固溶体，即含氮奥氏体。在缓慢冷却过程中，相发生共析反应，形成共析结构()。相是有序面心立方晶格的间隙相，存在于680以下。相具有较高的硬度(HV550)和韧

3、性。相是一种间隙相化合物，具有宽范围的氮含量。室温下氮含量为8.1-11.1%，其组成与Fe2-3N相似。随着温度的降低，相沉淀在相中。相是基于具有紧密堆积的六方晶格的化合物Fe2N的间隙固溶体，含有11.1-11.35%的氮，其易碎且耐腐蚀。传统上，氮化物层的结构被认为是由三层组成：白色层，和。氮化原理，合金钢中氮化物层的形成，氮不仅与铁相互作用，还与合金元素相互作用。如果氮化在590以下进行，氮首先溶解在-铁中形成相。当氮达到-铁的饱和浓度时，它与氮化物形成元素反应，并根据氮和合金元素之间的亲和力依次形成氮化物。例如38CrMoAlA，首先形成极度分散的氮化铝，然后形成氮化钼，最后形成氮化

4、铬。合金元素和氮之间的亲和力越大，形成的氮化物越稳定，熔点和硬度越高。氮化物的稳定性依次降低，即钛、铝、钒、铌、钨、钼、铬、锰和铁的氮化物。渗氮方法，渗氮工艺硬渗氮：学名渗氮，也称常规渗氮。它是渗透钢表面的单一“氮”元素，方法包括气体法和离子法。对于结构零件，通常选择的钢种是含有合金元素(如铬、钼、钛和铝)的特殊钢，有些钢在其它钢(如不锈钢和模具钢)上氮化。渗氮温度通常在480 540之间(必须保持工件芯部的淬火和回火硬度，使渗氮层的硬度达到要求的值)，根据要求的深度，加工时间一般为15 70小时甚至更长。渗氮的重点是获得厚度较深(0.1 0.65毫米)的弥散氮化合金层(即扩散层)，软氮化方法

5、分为两类：气体软氮化和液体软氮化。软氮化常用的共渗介质是尿素、甲酰胺和三乙醇胺，它们在软氮化温度下发生热分解反应，生成活性炭和氮原子。活性炭和氮原子被工件表面吸收并扩散到工件表层，从而获得主要由氮组成的碳氮共渗层。气体软氮化的温度通常为560-570，因为在此温度下氮化层的硬度最高。氮化时间通常为2-3小时，因为当超过2.5小时时，氮化层的深度随着时间的延长而缓慢增加。软氮化层的组织和软氮化特性：软氮化后，钢表面最外层可获得几微米至几十微米的白色亮层，由相、相和含氮渗碳体Fe3(C，n)组成，亚层为0.3-0.4毫米的扩散层，主要由相和相组成。软氮化具有以下特点：(1)处理温度低，处理时间短，

6、工件变形小。(2)不受钢种限制，碳钢、低合金钢、工具钢和模具钢、不锈钢、铸铁和铁基粉末可以软氮化。软氮化后工件的表面硬度与氮化工艺和材料有关。(3)能显著提高工件的疲劳极限、耐磨性和耐腐蚀性。在干摩擦条件下，它还具有抗划伤和抗咬合性能。渗氮方法：气体渗氮液体渗氮固体渗氮离子渗氮。气体氮化是由德国的AFry于1923年出版的。将工件放入炉中，在500 550下将氨气直接送入氮化炉中20 100小时，将氨气分解为原子(氮)气和(氢)气进行氮化处理。其厚度约为0.02 0.2m/m，其性能极硬Hv 10001200，且极脆。NH3的分解速率取决于流速和温度。流速越高，分解率越高。温度越低，分解率越低

7、。Fe2-3N气体渗氮的一般缺点是硬化层薄，渗氮时间长。气体氮化由于分解NH3而氮化效率低，因此通常选择适合氮化的钢等级，例如包含氮化元素如铝、铬、钼等。否则不能进行氮化，通常使用淬火和回火处理。因为铝、铬、钼等。都是提高相变点温度的元素，淬火温度高，回火温度也高于普通建筑用合金钢。这是因为回火脆性发生在氮化温度下的长期加热之间，所以硬化和回火是提前进行的。NH3气体氮化，由于表面粗糙、坚硬、易碎且长时间难以研磨，不经济，用于塑料注射成型机的进料管和螺杆的氮化。液态氮化和液态软氮化的主要区别在于氮化层中有Fe3N相和Fe4Nr相，但没有Fe2N相氮化物。相化合物硬而脆，在氮化处理中比韧性氮化物

8、差。液态软氮化的方法是在将处理过的工件放入以TF-1为主盐剂的氮化坩埚中之前，对其进行除锈、脱脂和预热。在加热到560 600几分钟到几个小时后，氮化物层的深度根据工件上的外力载荷来确定。在处理过程中，必须在坩埚底部引入空气管，用一定量的氮化空气盐分解氯化萘或CNO，氮化空气盐渗入并扩散到工作表面，使工件表面最外层的化合物8 9%重量的氮和少量的碳和扩散层，氮原子扩散到-铁基中，使钢零件更耐疲劳。液态软氮化处理材料为铁金属，铝、铬、钼、钛元素渗氮后表面硬度较高，金含量越高，渗氮深度越浅，如碳钢Hv 350650、不锈钢Hv 10001200、渗氮钢Hv 8001100。液体软氮化适用于耐磨耐疲

9、劳的汽车零件、缝纫机、照相机等。例如气缸套处理、气门处理、活塞缸处理和不易变形的模具。采用液态软氮化的国家包括西欧国家、美国、苏联和日本。在这种方法中，将工件放置在氮化炉中，预先将炉抽真空到10-2 10-3托( Hg)，然后引入N2气体或N2H2的混合气体，将炉调节到1 10托，将炉体连接到阳极，将工件连接到阴极，在两个电极之间施加几百伏的直流电压，此时在炉中产生N2气体。移动到工作表面，阴极电压在瞬间急剧下降，使得正离子高速冲击阴极表面，将动能转化为气体能量，从而使工件表面温度升高。在氮离子的影响下，铁等元素。碳氧从工件表面飞溅出来，与氮离子结合形成氮化铁，氮化铁逐渐吸附在工件上产生氮化。

10、然而，如果加入烃类气体，可以通过离子软氮化进行处理，这通常称为离子氮化。工件表面的氮浓度可以通过改变炉内混合气体(N2H2)的分压比来调节。进行纯离子渗氮时，工件表面的单相r(Fe4N)结构含氮量为5.7 6.1%(重量)，厚层在10 n以内。这种复合层坚硬而不多孔，不易脱落。由于氮化铁不断被工件吸收并扩散到内部，从表面到内部的结构为FeN Fe2N Fe3N Fe4N，单相(Fe3N)的n含量为5.7 11.0% wt，单相(Fe2N)的n含量为11.0 11.35% wt。相是最好的蚀刻性能。离子渗氮处理温度可从350开始。考虑到材料的选择和相关的机械性能，处理时间可以从几分钟到很长时间。

11、这种方法不同于以前通过热分解化学反应氮化的处理方法。因为该定律系统使用高离子能量，所以不锈钢、钛、钴和其他过去被认为难以处理的材料也可以简单地进行优异的表面硬化处理。氮化钢和预热处理以及氮化钢的特点和优势明显提高了零件的疲劳强度和耐磨性；具有抗水、油等介质腐蚀的能力；零件的变形非常小；氮化物层在较高温度下仍能保持其硬度。缺点：生产周期长，成本高。15、渗氮钢及预热处理，渗氮后的表面硬度要求高耐磨零件，表面硬度高达HV 900 1000对于只要求高疲劳强度的零件，表面硬度可达HV 500 800。渗氮前对型芯进行淬火和回火处理，零件硬度为HV 200 300，为回火索氏体组织。渗氮后，型芯还具有

12、良好的综合力学性能。渗氮钢及预处理，渗氮钢的合金元素及渗氮工艺对渗氮工艺的要求：渗氮表面硬度高；氮化表面的脆性符合要求；获得足够深的氮化物层深度；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、尺寸、类型和分布。然而，由于钢中含有一定量的碳，氮化过程中总会形成碳氮化物相。17，氮化钢和预热处理，不同氮化钢的氮化深度和硬度之间的关系，18，氮化钢和预热处理，合金元素对氮化深度和表面硬度的影响，19，氮化钢和预热处理，钢的淬透性和淬火工艺。氮化钢应在氮化前进行淬火和回火，因此有必要考虑钢的淬透性和其他淬火工艺性能。铝是一种非碳化物形成元素，铝的存在不会提高钢中碳化物的溶解温度；

13、铬和钼是提高钢的淬透性的重要元素。当强碳化物形成元素如钛、铌和钒存在时，有必要提高淬火温度为了使扩散到相中的氮在氮化过程中与钒、钼、铬、铝等原子形成超细氮化物，并有效地硬化相基体，这些元素在淬火和回火时应首先溶解在奥氏体中，在淬火成马氏体时保留在马氏体中。20、钢的渗氮和预热处理，当合金元素和回火后的铬、钼、钒溶于马氏体时，钢在400 500、500 600和550 650回火时能保持较高的强度。钼可以防止钢在510 580下长时间氮化后在炉中冷却时的回火脆性。21、氮化钢等级、22、常用氮化钢、常用合金钢结构有40Cr、35CrMo、42CrMo、40CrNiMo、34CrNiMo 38Cr

14、MoAl、25Cr2MoV、31CrMoV9合金工具钢有H13、Cr12、Cr12MoV1、w28cr4v、21 crmov9合金工具钢。氮化前的预热处理，为了保证氮化零件的核心具有必要的力学性能，消除内应力，改善原有结构，氮化效果好，减少尺寸变化，零件在氮化前必须进行不同的预热处理。热处理前渗氮工艺参数的要求热处理前最后一步的加热温度应至少比渗氮温度高10(一般为2040)。否则，零件的核心结构和机械性能将在渗氮过程中发生变化，零件的变形将无法控制。高精度零件在粗磨前后应退火12次，处理温度必须高于渗氮温度，通常比渗氮温度高30左右。应力消除退火可以显著减少渗氮后的变形和尺寸变化。常用的预热

15、处理工艺常用的预热处理工艺包括淬火和回火、淬火和回火、正火和退火。淬火和回火是结构钢常用的预热处理工艺。淬火和回火的回火温度至少比渗氮温度高10(一般为2040)。回火温度越高，工件的硬度越低，碳化物在基体中的分散越小，氮化过程中氮原子越容易渗透，氮化层越厚，但渗透层的硬度越低。因此，回火温度应根据基体性能和渗层性能的要求综合确定。淬火和回火后，理想的显微组织是细小且均匀分布的索氏体结构，不允许出现粗大的索氏体结构和更多的自由铁素体。渗氮前的预热处理，普通预热处理工艺中淬火和回火引起的脱碳对渗碳层的脆性和硬度有很大影响，因此在淬火和回火前，工件应留有足够的加工余量，以保证在加工过程中所有脱碳层都能被切掉。对于渗氮后变形小的工件，应在精加工前进行一次或多次稳定化处理(如精磨)，处理温度应低于淬火和回火温度，高于渗氮温度。淬火和回火后，如果工件的硬度或金相组织不合格，允许返工。淬火和回火处理通常用于渗氮前的钢的预热处理。淬火和回火通常用于渗氮前的不锈钢预热处理，以消除加工应力和改善显微组织。退火处理可用于低硬度要求的工件。奥氏体不锈钢通常采用固溶处理。正火预热处理仅适用于对芯部强度和韧性要求较低的氮化零件，正火过程中的冷却速度不应太慢。大尺寸零件不宜正火，因为正火时冷却速度慢会产生粗大组织，渗氮后表面硬度低且不均