1、第十四章钢的渗氮第十四章钢 的 渗 氮第一节渗氮层的组织与性能 一、Fe-N相图与基本相 图14-1为Fe-N相图，整个相图共有五个单相区，其中包括两个间隙式固溶体、和三个成分可变的间隙化合物、。1)相：是氮在-Fe中的间隙固溶体(含氮铁素体)，具有体心立方晶格，其中氮的质量分数在室温时不超过0.001%，在590为0.1%。2)相：是氮在Fe中的间隙固溶体(即含氮奥氏体)，面心立方晶格，温度高于590时才存在。第十四章钢 的 渗 氮3)相：是一种成分可变的间隙相，面心立方晶格，450时氮的质量分数为5.7%6.7%，氮原子有序地占据间隙位置，当氮的质量分数为5.9%时，其成分符合Fe4N，相
2、大约在680以上发生分解并溶于相中。4)相：是一种可变成分的氮化物，具有密排六方晶格，在一般氮化温度范围内相的成分大致在Fe2NFe3N之间(wN=8.25%11%)。5)相：相极脆，渗氮层一般不允许出现相。第十四章钢 的 渗 氮图14-1Fe-N相图第十四章钢 的 渗 氮二、纯铁渗氮层组织与性能 由Fe-N相图可知，当在低于共析温度590进行渗氮时，首先在表面形成相，当相的氮浓度达到饱和时就转变为相，当相的氮浓度达到饱和后就会形成相。第十四章钢 的 渗 氮三、碳及合金元素对渗氮层组织与性能的影响1.碳的影响 碳使氮在钢中的扩散速度降低，使渗氮层的深度减小，如图14-3所示。图14-3钢的碳含
3、量对渗氮层深度的影响第十四章钢 的 渗 氮2.合金元素的影响1)溶于相中的W、Mo、Cr等元素可提高氮在相中的溶解度，延缓氮化物的形成。2)形成合金化的相和相，如(Fe、Me）4N和(Fe、Me）23N等，使硬度提高。3)可形成合金氮化物。4)合金元素会减小渗氮层深度。第十四章钢 的 渗 氮图14-4合金元素对渗氮层深度的影响第十四章钢 的 渗 氮第二节气 体 渗 氮 在可提供活性氮原子的气体中进行的渗氮称为气体渗氮。一、渗氮钢和渗氮前的预备热处理(1)渗氮钢(2)渗氮前的预备热处理第十四章钢 的 渗 氮图14-5气体渗氮装置示意图1液氨瓶2氨气压力表3供氨管4氨气流量计5干燥箱6控制仪表7进
4、气管8加热炉9工件10排气管11缓冲箱12安置架13排气压力计14分解率测定计15冒泡瓶16储水箱二、气体渗氮工艺(一)气体渗氮基本装置第十四章钢 的 渗 氮(二)气体渗氮工艺参数1.渗氮温度图14-6渗氮温度对38CrMoAlA钢表面硬度及层深的影响(渗氮时间60h)15002520356045805600第十四章钢 的 渗 氮2.渗氮保温时间图14-7不同温度下渗氮时间对38CrMoAlA钢渗氮层深度的影响第十四章钢 的 渗 氮3.氨分解率 氨分解率（dissociated rate of ammonia）表示在某一温度下，分解的氮、氢混合气体占炉气总体积的百分比。图14-8氨分解率对38
5、CrMoAlA钢渗氮层硬度及深度的影响第十四章钢 的 渗 氮表14-1不同渗氮温度下氨分解率的合适范围第十四章钢 的 渗 氮图14-9氨分解率测定计1盛水器2进水阀3进气阀4排水、排气阀 通常采用氨分解率测定计测定氨分解率，生产上常用的氨分解率测定计如图14-9所示。第十四章钢 的 渗 氮(三)气体渗氮工艺过程 气体渗氮工艺过程包括渗前准备、排气升温、渗氮保温、冷却四个阶段。第十四章钢 的 渗 氮(四)气体渗氮工艺方法 1.表面强化渗氮生产上常用的强化渗氮工艺有等温渗氮、二段渗氮及三段渗氮等。图14-1038CrMoAlA等温渗氮工艺第十四章钢 的 渗 氮图14-1138CrMoAlA二段渗氮
6、工艺二段渗氮第十四章钢 的 渗 氮图14-1238CrMoAlA三段渗氮工艺三段渗氮第十四章钢 的 渗 氮表14-2常用结构钢的渗氮工艺规范第十四章钢 的 渗 氮表14-2常用结构钢的渗氮工艺规范第十四章钢 的 渗 氮2.抗蚀渗氮 抗蚀渗氮（anti-corrosion nitriding）是为了提高工件的抗蚀性能而进行的渗氮处理。表14-3抗蚀渗氮工艺规范第十四章钢 的 渗 氮三、加速渗氮的方法 渗氮工艺时间很长，为了缩短渗氮的时间，近年来出现了许多加速渗氮过程的方法，其中包括洁净渗氮、感应加热气体渗氮、超声波渗氮等，目前有些已经投入生产，有些尚处于试验阶段。第十四章钢 的 渗 氮四、渗氮件
7、性能特点(1)渗氮层硬度、耐磨性及脆性(2)疲劳强度(3)热硬性第十四章钢 的 渗 氮五、典型零件强化渗氮工艺实例 T615K镗床镗杆如图14-13所示，材料38CrMoAlA，技术要求：基体硬度220260HBW，渗氮层表面硬度900HV，渗层深度045065mm。图14-13T615K镗床镗杆第十四章钢 的 渗 氮1.渗氮前预先热处理工艺 1)退火：锻后进行(840870)5h退火。2)调质：粗车后(930950)1.5h处理，油淬，(600620)5h回火，空冷，校直。3)去应力处理：精车外圆及锥孔，粗刨键槽后进行(600620)(1012)h去应力退火。第十四章钢 的 渗 氮2.渗氮前
8、准备（1）设备、工具、材料准备1)检查、清理渗氮罐、加热炉及管道系统，使其达到气密性良好，无泄漏并且畅通。2)设备、电气、管道阀门及各种仪表工作正常。3)停炉后首次开炉及每隔23炉应清理、烘干干燥箱或更新干燥剂。第十四章钢 的 渗 氮4)清理设备、炉罐及管道内的积水和异物。5)备足液氨量(按工件渗氮总面积及渗氮时间估算氨气用量，0.067kg/m3h),液氨中水的质量分数要小于0.2%，最高限量小于1%)。6)清洗渗氮罐(或喷砂处理)、工夹具及绑扎用铁丝，除去油污、锈蚀。7)准备好与工件相同材料的金相检验与硬度检验试样，试样为10mm10mm60mm楔形块，试样表面粗糙度与工件相同。第十四章钢
9、 的 渗 氮(2)工件准备 1)检查工件表面是否有裂纹、碰伤等缺陷，渗氮后的精磨余量及畸变量应符合工艺要求。2)对非渗氮表面进行防护处理。3)清洗工件：渗前2h,用酒精、汽油或四氯化碳将工件清洗后用清水洗净、擦干；也可用10%(质量分数)碳酸钠水溶液煮沸810min，随后用热水、凉水洗净，热风烘干。3.渗氮 本工件对硬度及畸变要求一般，可采用两段渗氮。第十四章钢 的 渗 氮第三节离 子 渗 氮 离子渗氮（plasma nitriding）是在低真空（通常为10-110-2Pa）含氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极间产生的辉光放电现象进行的渗氮工艺。第十四章钢 的 渗 氮图14-14离子渗氮装置和
10、离子渗氮原理示意图一、离子渗氮基本原理和装置 图14-14a、b分别为离子渗氮装置示意图和离子渗氮原理示意图。第十四章钢 的 渗 氮二、离子渗氮的特点 与普通气体渗氮相比，离子渗氮主要具有如下优点：(1)渗氮速度快，时间短(2)渗氮质量好(3)工件变形小(4)渗氮前不需去钝处理(5)容易实现局部渗氮(6)适用于各种材料第十四章钢 的 渗 氮第四节渗氮后的质量检验及常见缺陷 渗氮零件的质量检查，一般包括外观、金相组织、渗层深度、表面硬度及脆性、畸变等方面。一、渗氮件质量检验1.外观检验 表面不应有裂纹、剥落及肉眼可见的疏松等缺陷。2.硬度检验 由于渗氮层很薄，通常用维氏硬度或表面洛氏硬度计来测定
11、渗氮层表面硬度。第十四章钢 的 渗 氮3.渗氮层深度检验 每炉至少用一个试样进行渗氮层深度的检验。(1)金相法图14-1538CrMoAl钢气体渗氮(100)第十四章钢 的 渗 氮(2)硬度法(3)断口法4.渗氮层脆性检验图14-16渗氮层脆性级别图(100)第十四章钢 的 渗 氮5.金相组织检验 渗氮件金相组织检验包括渗氮层和心部组织检验两部分。图14-17渗氮层脉状组织(450)a)合格组织(2级)b)不合格组织(4级)第十四章钢 的 渗 氮图14-18渗氮层疏松检验合格与不合格组织(500)a)合格组织(1级)b)不合格组织(4级)6.渗氮层疏松检验 按化合物层内微孔的形状、数量、密集程
12、度，将疏松分为5级。第十四章钢 的 渗 氮7.尺寸及畸变检验 一般来说，渗氮处理的工件变形很小，但对于精密零件应按工件技术要求进行检验。第十四章钢 的 渗 氮二、气体渗氮件常见质量缺陷 表14-4列出了气体渗氮件常见缺陷类型、产生原因及预防措施，供参考。表14-4气体渗氮件常见缺陷类型、产生原因及预防措施第十四章钢 的 渗 氮表14-4气体渗氮件常见缺陷类型、产生原因及预防措施第十四章钢 的 渗 氮第五节渗氮工艺的发展一、表面纳米化渗氮 表面纳米化渗氮是我国科学家卢科等人发明的一种渗氮技术。二、真空脉冲渗氮 真空脉冲渗氮是将渗氮炉抽至一定真空度，对零件整体加热，脉冲式送入氨气，在低压状态下进行的渗氮工艺。第十四章钢 的 渗 氮三、短时渗氮图14-19短时渗氮工艺曲线第十四章钢 的 渗 氮四、深层渗氮 一般渗氮后渗氮层深度只有05mm左右，在高接触应力作用下，工件容易在过渡区产生接触疲劳裂纹，造成接触疲劳剥落。
