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1、钢材的渗氮热处理工艺目录一、二. 、A.刖S 1.钢的渗氮：强化渗氮；抗蚀渗氮21 .渗氮用钢2.渗氮零件考前须知32 .氮化工艺技术的新进展34. 1.不锈钢的氮化34. 2.先进热处理设备及检测44. 3.工艺技术改进55. 4.新钢种开发7结语8刖S氮化工艺具有处理温度低，工艺周期长的特点，经过氮化处理的零件硬化 层浅，外表硬度高，主要应用于承受载荷较低的零件。由于工艺技术的特点和 获得性能缺乏，尤其对于不锈钢零件的处理，外表稳定的氧化膜问题使工艺的 实施增加许多麻烦等。近年来，为了进一步扩展改善氮化工艺技术，使性能得 到进一步提高，热处理工作者不断努力探索使氮化技术逐步向前推进，不断有
2、 新的突破，获得可喜成果。渗氮应用最广泛的气体渗氮，加热温度500C600。氮原子与钢的外表 中的铝、铭、铝形成氮化物，一般深度为0.1 mm0.6mm,氮化层不用淬火即 可得到很高的硬度，这种性能可维持到600650。工件变形小，可防止 水、蒸气、碱性溶液的腐蚀。但生产周期长，本钱高，氮化层薄而脆，不宜承 受集中的重载荷。主要用来处理重要和复杂的精密零件。渗氮的意思将氮渗入钢铁零件外表，从而得到具有良好理化性能的渗氮 层，具体表现在高硬度、耐磨性、抗咬合性能、红硬件和良好疲劳强度等方 面。虽然有时候淬火也能到达提高强度的目的，但渗氮主要的特点是变形很第1页共8页 小。要说缺点嘛，渗氮工艺的缺
3、点是生产周期长（一般要数十到数百小时）、成 本较高、渗氮层较薄（一般为0.5mm左右）、且脆性较大，因此，渗氮零件不能 承受太大的接触应力和高的冲击载荷。1 .钢的渗氮：强化渗氮；抗蚀渗氮使氮原子渗入钢的外表，形成富氮硬化层的一种化学热处理工艺。与渗碳 相比，渗氮处理后零件具有：高的硬度和耐磨性，高的疲劳强度，较高的抗咬 合性，较高的抗蚀性，渗氮过程在钢的相变温度以下（450C600C）进行，因 而变形小，体积稍有胀大。缺点是周期长（一般气体渗氮土艺的渗氮时间长达 数十到100h）、本钱高、渗层薄（一般为0.5mm左右）而脆，不能承受太大问接 触应力和冲击载荷。2 .渗氮用钢从理论上讲，所有的
4、钢铁材料都能渗氮。但我们只将那些适用可渗氮处理 并能获得满意效果的钢才称为渗氮用钢。凡含有Cr、Mo、V、Ti、Al等元素的 低、中碳合金结构钢、工具钢、不锈钢（不锈钢渗氮前需去除工件外表的钝化 膜，对不锈钢、耐热钢可直接用离子氮化方法处理）、球墨铸铁等均可进行渗 氮。渗氮后零件虽然具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度，但只是外表很薄 的一层（铭铝铝钢于500c540经35h-65h渗氮层深只达0.3mm0.65mm）。必须有强而韧的心部组织作为渗氮层的坚实基底，才能发 挥渗氮的最大作用。总的来看，大局部渗氮零件是在有摩擦和复杂的动载荷条 件下工作的，不管外表和心部的性能都要求很高。如果用碳钢进
5、行渗氮，形成Fe4N和Fe?N较不稳定。温度稍高，就容易聚 集粗化，外表不可能得到更高的硬度，并且其心部也不能具有更高的强度和韧 性。为了在外表得到高硬度和高耐磨性，同时获得强而韧的心部组织，必须向 钢中加入一方面能与氮形成稳定氮化物，另外还能强化心部的合金元素。如 Ak Ti、V、W、Mo、Cr等，均能和氮形成稳定的化合物。其中Cr、W、Mo、 V还可以改善钢的组织，提高钢的强度和韧性。目前专门用于渗氮的钢种是38CrMoAlA,其中铝与氮有极大的亲和力，是第2页共8页 形成氮化物提高渗氮层强度的主要合金元素。A1N很稳定，到约1000C的温度 在钢中不发生溶解。由于铝的作用使钢具有良好的渗
6、氮性能，此钢经过渗氮表 面硬度高达1100-1200HV（相当6772HRC）。38CrMoAlA钢脱碳倾向严重， 各道工序必须留有较大的加工余量。对高硬度、高耐磨性要求的氮化件，不宜选用碳钢和一般合金钢。对以提 高抗蚀性能为主的氨化件可选用碳钢和一般合金钢。3 .渗氮零件考前须知1）渗氮前的预备热处理调质-渗氮工件在渗氮前应进行调质处理，以获得 回火索氏体组织。调质处理回火温度一般高于渗氮温度。2）渗氮前的预备热处理去应力处理-渗氮前应尽量消除机械加工过程中产 生的内应力以稳定零件尺寸。消除应力的温度均应低于回火温度，保温时间比 回火时间要长些，再缓慢冷却到室温。断面尺寸较大的零件不宜用正火
7、。工模 具钢必须采用淬火回火，不得用退火。3）渗氮零件的外表粗糙度Ra应小于1.6 U m,外表不得有拉毛、碰伤及生 锈等缺陷。不能及时处理的零件须涂油保护，以免生锈。吊装入炉时再用清洁 汽油擦净以保证清洁度。4）含有尖角和锐边的工件，不宜进行氮化处理。5）局部不氮化部位的保护，不宜用留加工余量的方法。6）外表未经磨削处理的工件，不得进行氮化。4 .氮化工艺技术的新进展4. 1.不锈钢的氮化众所周知，对于不锈钢由于外表存在的稳定氧化膜问题，会阻止氮原子的 渗入。在实施氮化前必须首先清除或活化氧化膜。传统的做法是：磷化、喷 砂、酸洗或向炉内通入（添加）氯氟及硫磺系列的活化剂，去除或破坏保护膜使
8、其外表活化，以有利于氮的渗入。然而，活化剂不仅对零件外表均有不同程度 的损伤，而且对炉衬、加热元件和测试装置均有一定的伤害。为了解决不锈钢的氮化问题，有人对于奥氏体不锈钢氮化进行研究，在氮第3页共8页 化前预先在真空渗碳炉中对不锈钢进行浅层渗碳处理，通过真空渗碳处理使碳 与Cr元素结合，以去除稳定的保护膜，这样就不用担忧保护膜的阻挡作用， 可以采用通常的气体氮化炉直接实施外表硬化。结果说明，氮化效果良好，表 面硬度可以到达1000HV0.1,其耐磨性也与常规氮化相当。此工艺技术实际 是一种复合化学热处理，虽然解决了氮化问题，但是由于前期实施的渗碳温度 较高，热处理变形相对增加，实际应用应该慎重
9、考虑。传统磷化作为不锈钢的氮化前处理也有所应用，但由于存在一定问题，实 际应用受到限制。为了解决AISI420不锈钢的直接氮化问题，作者对磷化处理 剂进行筛选优化试验，采用LD-2311不锈钢专用磷化剂，选择90100C, 1015min处理方案，作为氮化的前处理进行生产性应用。结果说明，此方法 不仅简单、稳定，而且使氮化速度加快，渗层无脆性，外表硬度可以到达 1180HVo成功的解决了可控氮化炉不能进行不锈钢氮化的难题。4. 2.先进热处理设备及检测为了可靠提升氮化质量和生产效率，降低生产本钱，近年来，高性能智能 化的专用氮化炉相继推出，并投入生产使用表现良好技术和经济效果。我公司 购置使用
10、德国LPSEN（见图1）和IVA智能化可控氮势氮化炉（见图2）生产零件 质量稳定可靠，其性能高于常规氮化质量，本钱明显降低，表现优良的技术和 经济效果。该炉型配备了先进可靠的智能化氮化控制系统，可以有效实现对氮 势设定或可靠控制，获得不同工艺要求的氮化质量；配备了快冷却装置（IVA真 空氮化炉有两种冷却方式可供不同工艺要求选择）实现氮化完成后的快速降 温，有效缩短工艺周期，并使外表能够得到较常规氮化更高的硬度；配备了高 寿命氢探头（已经使用10年）保证氮势的可靠调节或控制。此外，炉的密闭性达 到高标准，在封闭式厂房运行基本嗅不到氨的气味，作到了完全无公害的绿色 生产条件。第4页共8页II图2I
11、YA真空氮化炉多年使用验证，该智能化氮化炉是应该替代常规氮化炉的最正确炉型，推广 使用将会彻底摆脱氮化质量不良，环境条件差的不利局面。4. 3.工艺技术改进一种新工艺是加压氮化，其方法是提高炉内压力，对具有复杂形状的合金第5页共8页 钢零件显示良好效果。对于小直径深盲孔（小于0.40mm）都能够获得满意氮化 效果。对于钛合金的氮化可以将温度减低到600C。为了解决氮化周期长的问题，有人提出脉冲或循环两段快速氮化的概念， 该工艺是将多个周期较短的两段氮化加以循环，在每个循环的不同阶段确定不 同的控制环节，同时使界面吸收与扩散的速度充分匹配，相互促进，循环加速 充分利用扩散和强渗的高速段提高氮化速
12、度。试验说明，采用此工艺氮化周期 较常规工艺周期缩短1/31/2。其提高氮化的速度是明显的。不同催渗方法的应用使氮化工艺过程大大缩短，性能得到改善，受到广大 热处理工作者的关注。近年来，研究较多的有：稀土、碘、活性钛、预氧化 等，关于催渗机理虽然有不同的解释。但是，基本原理均是建立在提高气氛的 活性和改善外表状态两个方面。众所周知，氮化零件外表活性对于氮化有明显影响，我们在生产过程发 现，同样钢材加工方式的不同，精加工或磨加工氮化效果有所不同。说明外表 活性对实际氮化有一定的影响。为了定性外表状态的影响，有人对不同的外表 状态计算活性系数，其结果为：精抛为0.20,冷拉0.30,粗抛045,喷
13、砂 085,化学侵蚀0.90。且在同样条件进行试验。结果说明，随着活性系数增 大，重量依次增加，可以证明，氮化零件外表活性对实际氮化的作用不可忽 视。预氧化氮化是近年来提出的一种新的氮化工艺，其原理是氮化入炉不急于 换气，而是在低于氮化温度的氧化气氛条件下加热使外表生成一定的氧化膜 （主要为FesOj，利用氧化膜的特殊活化作用，增加外表活性氮的吸附作用， 以提高氮化速度。实际应用说明，氮化初期外表形成的Fe3（）4层能与氨反映形 成氮化物，同时氮可以迅速穿透该层渗入金属基体，并在基体中形成丫氮化 物。结果可以证明，预氧化形成的Fes。4氧化膜 对氮化不但没有阻挡作用，相 反有一定的显著的促进作
14、用，与常规氮化比拟，其氮增量贡献率到达45%。有人采用40Cr和38CrMoAi钢的试验说明，短时间预氧化获得的氧化膜 可以加速渗氮和氮碳共渗，而长时间（大于0.5h）对氮化有抑制作用。试验比照 提出,在580、550和620预氧化5lOmin能使氮化加速30%50%。关于预氧化氮化的催渗机理，提出两种观点：一是预氧化外表和预氧化层 内部本身的疏松多孔结构有利于氨的分解，释放原子氮；另一方面是反响所释第6页共8页 放的氧被吸附进入材料造成氧氮共渗，而氧的共渗对氮化过程有一定的促进作 用。值得指出，预氧化对于大多数钢是有效的。对于外表形成其他类型的氧化 物为主的高合金钢，其效果有待于进行深入研究
15、。对于预氧化氮化的问题报道的结果有一定差异，认为造成结果不同的原 因，不外呼是试验或生产的条件（预氧化工艺、设备和材料等）的不同所致。但 是，大多数的研究均认为预氧化促进氮化的作用是有效的。氮化前钢的组织硬度对氮化有一定影响，试验数据（见表1）说明，作为预 先热处理调质，尽可能提高有利于氮化效果的提升。表1预先热处理调质硬度对氮化的影响材料基体硬度HRC至外表的距离（mm）的硬度HV0.30.050.100.150.200.250.300.350.4040Cr22/2447841936633632130829729326/2853049342638233931230730031/3358253
16、949343840037435434035CrMo24/2549143139435133832431431227/2954049043038036234133032031/33586545508442392380364354可以看出，随着40Cr、35CrM。钢调质硬度的提高氮化外表硬度提高，深 度变浅。可以认为，回火温度的提高材料基体中的合金炭化物将会聚集张大， 减少了炭化物的弥散度，从而降低了氮化时氮的阻力，表现渗速加快，层深增 加。4. 4.新钢种开发为了改善或提高钢的氮化性能，氮化专用钢的研究一直不断在进行。研究 认为，钢的化学成分是影响氮化的主要因素，钢中碳和氮的溶解是相互排斥 的，
17、在满足钢性能的前提下，降低碳含量有益于氮化速度的提高。基于该思 路，调整优化化学成分推出的28CrMoV新氮化钢具有优于38CrMoAi钢的强韧 性，又具有常规Mo-Cr和Mo-Cr-V合金钢的更优异氮化性能。同样氮化条件 下，氮化周期可以大幅度缩短。研制低碳无铝和低铝的氮化钢（见表2）与传统38CrMoAi钢的各项性能进 行综合比拟，结果说明，在同样氮化条件下无铝氮化钢有较高的渗层深度和硬 度，且硬度剃度平缓，表现出良好的综合氮化性能。表2无铝和低铝的氮化钢成分（质量分数）（）第7页共8页钢种CSiMnSPCrMoAiFeD10.200.240.830.0060.0061.820.580.0
18、3其余D20.200.300.810.0050.0073.760.560.24其余38CrMoAi0.400.410.430.0030.0121.450.160.78其余关于稀土的催渗作用研究说明，汽化催渗作用远不如添加钢中的作用。为 此，提出加稀土的钢种开发。认为钢中稀土的催渗机理，主要是推广影响钢的 组织来影响氮的渗入间接和直接作用两个方面来加速氮原子的扩散和氮化物的 形成。钢中的稀土通过细化晶粒、增加位错、推迟回火转变、增加氮沿晶界位 错的短路扩散，和影响组织转变影响合金元素的存在方式，促进合金氮化物的 形成。5.结语氮化工艺的推进和提升需要热处理工作者不断的努力创新，设备的改造更 新也必须跟上热处理开展的步伐。消化吸收提高工艺水平装备的智能化是努力 的方向。氮化本钱的进一步降低，质量的再提高应该有潜力可挖。目前，实施 氮化工艺和设备尚存在这样或那样的问题需要解决，需要提升，需要创新，只 要我们能够不断努力拓展思路，相互借鉴成功经验一定会有所进步。第8页共8页