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碳氮处理
鋼的化學熱處理
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一,概述
(一),化學熱處理的概念及影響
化學熱處理是將工件置於一定介質中加熱和保溫,使介質中的活性原子滲入工件表層,以改變表層的化學成分和組織,從而使工件表面具有某些特殊的機械和物理化學性能的一種熱處理工藝。
其主要特點是,表面層不僅有組織的變化,而且有成分的變化。
化學熱處理工藝較多,由於滲入元素不同,會使工件表面所具有的性能也不同。
如滲碳、碳氮共滲可提高鋼的硬度、耐磨度及疲勞強度;氮化、滲硼、滲鉻使表面特別硬,顯著提高耐磨性和耐蝕性;滲硫可提高減摩性;滲硅可提高耐酸性;滲鋁可提高耐熱抗氧化性等等。
(二),化學熱處理的條件
化學熱處理時,要使碳、氮等原子滲入工件表層,必須具備以下條件:
1.鋼本身必須具有吸收這些滲入元素活性原子的能力,即對它具有一定的溶解度,或能與之化合,形成化合物,或既具有一定的溶解度,又能與之形成化合物。
2.滲入元素的原子必須是具有化學活性的活性原子,即它是從某種化合物中分解出來的,或由離子轉變而成的新生態原子,同時這些原子應具有較大的擴散能力。
(三),化學熱處理的工藝過程
化學熱處理的基本程序大致如下:
1.將工件加熱到一定溫度,使之有利於吸收滲入元素活性原子;
2.由化合物分解或離子轉變而得到滲入元素的活性原子;
3.活性原子被吸附,且溶入工件表面,形成固溶體,在活性原子濃度很高時,還可形成化合物;
4.滲入原子在一定溫度下,由表層向內擴散,形成一定的擴散層。
目前機械加工中,最常用的化學熱處理工藝有滲碳、滲氮和碳氮共滲等,下面分別加以討論。
二,鋼的滲碳
滲碳是向鋼的表面層滲入碳原子的過程。
其目的是使工件在熱處理後表面具有高硬度和耐磨性,而心部仍保持一定強度以及較高的韌性和塑性。
按照採用的滲碳劑不同,滲碳法可分為氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳三種,常用的是前兩種,尤其是氣體滲碳。
氣體滲碳法生產率高,勞動條件較好,滲碳質量容易控制,並易於實現機械化自動化,故在黨前工業中得到廣泛的應用。
以下對前兩種方法作詳細的說明:
(一),氣體滲碳法
1).氣體滲碳的基本操作
如圖所示,將工件置於密封的加熱爐中(如井式氣體滲碳爐),通入氣體滲碳劑,在900~950∘C加熱、保溫,使鋼件表面層進行滲碳。
2).一般採用的氣體滲碳劑
⑴煤油其主要優點是:
煤油具有足夠活性,價格低廉、供應充足;但容易產生碳黑的缺點。
⑵復合滲碳劑如甲醇+丙醇,將它們按一定比例同時滴入爐內,可使滲碳零件獲的滿意的質量。
3).氣體滲碳原理
在氣體滲碳時,含碳氣體在鋼的表面進行以下的氣相反應,生成活性碳原子:
CH4[C]+2H2
2CO[C]+CO2
CO+H2[C]+H2O
活性碳原子溶入高溫奧氏體中,而後向鋼的內部擴散,實現滲碳。
(二), 固體滲碳法
1).固體滲碳的基本操作
如圖示
將工件置於四周填滿固體滲碳劑的箱中,用蓋和耐火泥將箱密封後,送入爐中,加熱至滲碳溫度(900~950∘C),保溫一定時間後出爐,取出滲碳零件,進行淬火+低溫回火熱處理。
2).固體滲碳原理
固體滲碳劑通常是由碳粒與碳酸鹽(BaCO3或Na2CO3)混合組成。
在加熱時,固體滲碳劑分解而形成CO,其反應如下:
BaCO3(或Na2CO3)→BaO+CO2
CO2+C→2CO
在滲碳溫度下,CO是不穩定的,它在鋼的表面發生2CO→[C]+CO2反應,提供活性碳原子溶解於高溫奧氏體中,然後向鋼的內部擴散而進行滲碳。
3).與氣體滲碳法差異
與氣體滲碳法比較,固體滲碳法的滲碳速度慢,生產率低,勞動條件差,質量不易控制,但固體滲碳法的設備簡單,很容易經營,故在中、小型工廠中仍普遍採用。
(三).滲碳工藝主要影響因素
滲碳時最主要的工藝因素是加熱溫度和保溫時間。
加熱溫度愈高,滲碳速度就愈大,且擴散層的厚度就愈大。
但溫度過高會引起鋼件中晶粒長大,使鋼變脆,故加熱溫度應選擇實黨,一般在900~950∘C範圍,即超過AC350~80∘C。
保溫時間主要取決於所需要的擴散層的厚度,不過保溫時間愈長時,厚度增長速度會逐漸減慢。
低碳鋼滲碳緩冷後的組織如圖
由圖可見,表層為珠光體與二次滲碳體混合的過共析組織,其中二次滲碳體呈現網狀;心部為珠光體與鐵素體混合的亞共析原始組織;中間為過度區,愈靠近表面層鐵素體愈少。
一般規定從表面量到過渡區一半的組織處作為滲碳層厚度。
在一定的滲碳溫度下,加熱時間愈長,滲碳厚度愈厚。
(四).滲碳零件表面層含碳量的影響
滲碳零件表面層含碳量最好在0.85~1.05%範圍內。
表面層含碳量過低,淬火低溫回火後得到含碳量較低的回火馬氏體,硬度低,耐磨性差;表面層含碳量過高,滲碳層出現大量塊狀或網狀滲碳體,易引起脆性,造成剝落,同時由於殘餘奧氏體量的過度增加,也使表面硬度,耐磨性以及疲勞強度降低。
(五).一般滲碳零件的工藝路線
鍛造→正火→機械加工→滲碳→淬火+低溫回火→精加工
去碳機械加工→淬火→低溫回火
(六).滲碳零件中對非滲碳部分的處理
若滲碳零件有不允許高硬度的部件如裝配孔等,應在設計圖紙上給予注明。
則該部件可採取鍍銅方法來防止滲碳,或者採取多留加工餘量方法,待零件滲碳後淬火前再去掉該部位的滲碳層。
三,鋼的氮化(氣體氮化)
氮化是向鋼的表面層滲入氮原子的過程。
其目的是提高表面硬度和耐磨性,並提高疲勞強度和抗腐蝕性。
(一).氮化原理及工藝
目前工業中應用最廣泛的,比較成熟的是氣體氮化法。
它是利用氨氣在加熱時分解出活性氮原子,被鋼吸收後在其表面形成氮化層,同時向心部擴散。
其分解反應如下:
2NH3→3H2+2[N]
氮化通常利用專門設備或井式滲碳爐來進行。
氮化前須將調質後的零件除油淨化。
入爐後應先用氨氣排除爐內空氣。
氨的分解在200∘C以上開始,同時因為鐵素體對氮有一定的溶解能力,所以氣體氮化一般都是在不超過鋼的A1溫度(大約500~570∘C)下進行的。
氮化結束後,隨爐降溫到200∘C以下,停止供氨,工件出爐。
(2).氮化處理的特點
1)氮化往往是工件加工工藝路線中最後一道工序,氮化後的工件至多再進行精磨或研磨。
為了保證氮化工件心部具有良好的綜合機械性能,在氮化前有必要將工件進行調質處理,使獲得回火索氏體組織。
2)鋼在氮化後,無需進行淬火便具有很高的表層硬度(≥HV850)及耐磨性。
這是由於氮化層表面形成了一層堅硬的氮化物所致。
與滲碳相比,氮化後鋼的硬度和耐磨性均較高,且氮化層具有很高的熱硬度(即在600~650∘C仍有較高的硬度)。
3)氮化後,顯著提高鋼的疲勞強度。
這是因為氮化層具有較大的殘餘壓應力,它能部分地抵消在疲勞載荷下產生的拉應力,延緩了疲勞破壞過程。
4)氮化後的鋼具有很高的抗腐蝕能力。
這是由於氮化層表面是由連續分布的、致密的氮化物所組成的緣故。
5)氮化處理溫度低,故工件變形很小,與滲碳及感應表面淬火相比,變形要小的多。
綜上所述,氮化處理變形小,硬度高,耐磨性和耐疲勞性能好,還有一定的抗蝕能力及熱硬度等。
因此它廣泛用於各種高速傳動精密齒輪、高精度機床主軸(如鏜杆、磨床主軸),在變向負荷工作條件下要求疲勞強度很高的零件(如高速柴油曲軸),以及要求變形很小和具有一定抗熱、耐蝕能力的耐磨零件(如閥門等)。
(三).氮化零件工藝路線
鍛造→退火→粗加工→調質→精加工→除應力粗磨→氮化→精磨或研磨
(四).氮化用鋼與氮化處理技術條件
氮化用鋼通常是含Al、Cr、Mo等合金元素的鋼,如38CrMoAlA是一種比較典型的氮化鋼,還有35CrMo、18CrNiW等也經常作為氮化鋼。
近年來又在研究含钒、鈦的氮化鋼。
Al、Cr、Mo、V、Ti等合金元素極容易與氮化元素形成顆粒細密、分布均勻、硬度很高而且非常穩定的各種氮化物,如ALN、CrN、MoN、TiN、VN等,這些氮化物的存在,對氮化鋼的性能起著主要的作用。
氮化處理零件的技術要求,應注明氮化層表面硬度、厚度、氮化區域、心部硬度。
重要零件還應提出對心部機械性能、金相組織及氮化層脆性等方面的具體要求。
關於氮化層厚度的選擇,對不同工件應有所區別。
如表所示:
要求厚度(mm)
厚度範圍(mm)
應用範圍
0.3
0.25~0.40
套環、小齒輪、模具、墊圈
0.5
0.45~0.60
鏜杆、螺杆、主軸、套筒蜗杆、較大模數齒輪
由於氮化層很薄,且較脆,因此要求有較高強度的心部組織。
為此,要先進行調質熱處理,獲得回火索氏體,提高心部機械性能和氮化層質量。
38CrMoAlA經調質熱處理後其機械性能可達:
σb≥1000MN/m2,δ≥15%,Ak≥72J,HRC25~35。
為了減少零件在氮化處理中的變形,在切削加工後,一般須進行消除應力的高溫回火(即高溫時效),對於重要複雜零件如主軸、螺杆、鏜杆等尤為需要。
粗加工後放粗磨加工餘量一般為1mm左右。
氮化處理放精磨餘量在直徑方向上不應超過0.10~0.15mm。
因為氮化層很薄,如放磨量過大,會磨掉氮化層而使表面硬度大大降低。
氮化處理時還應注意,零件不需要氮化的部分應鍍銅或鍍錫保護,亦可放1mm餘量,於氮化處理後磨去。
對軸肩或截面改變處,應採用R≥0.5mm園角,否則此處氮化層易脆性爆裂。
四.鋼的碳氮共滲
碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程。
習慣上碳氮共滲又稱為氰化。
目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲(即氣體軟氮化)應用較為廣泛。
中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度、耐磨性和疲勞強度;低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主,其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。
(一).中溫氣體碳氮共滲
1).共滲劑及原理
中溫氣體碳氮共滲所使用的共滲劑,目前有以下几種:
(1)煤油+氨氣;
(2)煤氣+氨氣;(3)甲醇+丙烷+氨氣;(4)三乙醇胺或三乙醇胺+20%尿素。
在碳氮共滲時,除了單獨進行前述几種基本的氣相反應對鋼的滲碳、氮化作用外,還同時進行由NH3與CO、CH4相互作用的以下氣相反應對鋼起碳氮共滲作用:
NH3+CO→HCM+H2O
NH3+CH4→HCN+3H2
2HCN→H2+2[C]+2[N]
2).共滲溫度
中溫氣體碳氮共滲溫度對滲層的碳、氮含量和厚度的影響很大。
①.溫度愈高,滲層的碳量愈多而氮量愈少,滲層的厚度愈大,而且碳的滲入厚度比氮為大(原子活性影響)。
②.降低共滲溫度有利於減少零件變形,但溫度低,滲速慢,滲層薄,在滲層表面還易於形成脆性的高氮化合物,心部組織淬火後硬度較低,使零件性能變差。
生產中採用的共滲溫度一般均在820~880∘C範圍內,如碳鋼及低合金鋼大多在840~860∘C共滲,使晶粒不致長大,變形較小,滲速中等,并可直接淬火。
對那些尺寸小、形狀複雜、變形要求很小的耐磨零件,如縫紉機及儀表零件,則往往採取較低溫度的中溫碳氮共滲工藝,常用溫度為700~780∘C。
3).共滲時間
碳氮共滲時間,取決於滲層厚度、共滲溫度以及所用的共滲介質。
10、20、20Cr、20CrMnTi等結構鋼,採用850∘C碳氮共滲時,共滲時間與滲層厚度的關係見表
(介
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