滲碳滲氮的作用及氮碳共滲和碳氮共滲的區(qū)別

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滲碳：是對金屬表面處理的一種，采用滲碳的多為低碳鋼或低合金鋼，具體方法是將工件置入具有活性滲碳介質(zhì)中,加熱到900--950攝氏度的單相奧氏體區(qū),保溫足夠時間后,使?jié)B碳介質(zhì)中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層,從而獲得表層高碳,心部仍保持原有成分.相似的還有低溫滲氮處理。這是金屬材料常見的一種熱處理工藝，它可以使?jié)B過碳的工件表面獲得很高的硬度，提高其耐磨程度。滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經(jīng)過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性?！　B碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小于0.25%)。滲碳后﹐鋼件表面的化學(xué)成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經(jīng)過淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲勞強度﹐并保持心部有低碳鋼淬火后的強韌性﹐使工件能承受沖擊載荷。滲碳工藝廣泛用于飛機﹑汽車和拖拉機等的機械零件﹐如齒輪﹑軸﹑凸輪軸等。滲碳零件的材料一般選用低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小於0.25%)。滲碳后必須進行淬火才能充分發(fā)揮滲碳的有利作用。工件滲碳淬火后的表層顯微組織主要為高硬度的馬氏體加上殘余奧氏體和少量碳化物﹐心部組織為韌性好的低碳馬氏體或含有非馬氏體的組織﹐但應(yīng)避免出現(xiàn)鐵素體。一般滲碳層深度范圍為0.8～1.2毫米﹐深度滲碳時可達2毫米或更深。表面硬度可達HRC58～63﹐心部硬度為HRC30～42。滲碳淬火后﹐工件表面產(chǎn)生壓縮內(nèi)應(yīng)力﹐對提高工件的疲勞強度有利。因此滲碳被廣泛用以提高零件強度﹑沖擊韌性和耐磨性﹐借以延長零件的使用壽命。按含碳介質(zhì)的不同﹐滲碳可分為固體滲碳﹑液體滲碳﹑氣體滲碳和碳氮共滲；滲氮，是在一定溫度下一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。常見有液體滲氮、氣體滲氮、離子滲氮。傳統(tǒng)的氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動的氨氣并加熱，保溫較長時間后，氨氣熱分解產(chǎn)生活性氮原子，不斷吸附到工件表面，并擴散滲入工件表層內(nèi)，從而改變表層的化學(xué)成分和組織，獲得優(yōu)良的表面性能。如果在滲氮過程中同時滲入碳以促進氮的擴散，則稱為氮碳共滲。常用的是氣體滲氮和離子滲氮。滲入鋼中的氮一方面由表及里與鐵形成不同含氮量的氮化鐵，一方面與鋼中的合金元素結(jié)合形成各種合金氮化物，特別是氮化鋁、氮化鉻。這些氮化物具有很高的硬度、熱穩(wěn)定性和很高的彌散度，因而可使?jié)B氮后的鋼件得到高的表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗咬合性、抗大氣和過熱蒸汽腐蝕能力、抗回火軟化能力，并降低缺口敏感性。與滲碳工藝相比，滲氮溫度比較低，因而畸變小，但由于心部硬度較低，滲層也較淺，一般只能滿足承受輕、中等載荷的耐磨、耐疲勞要求，或有一定耐熱、耐腐蝕要求的機器零件，以及各種切削刀具、冷作和熱作模具等。滲氮有多種方法，常用的是氣體滲氮和離子滲氮。氣體滲氮　　一般以提高金屬的耐磨性為主要目的，因此需要獲得高的表面硬度。它適用于38CrMoAl等滲氮鋼。滲氮后工件表面硬度可達HV850～1200。滲氮溫度低，工件畸變小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如鏜床鏜桿和主軸、磨床主軸、氣缸套筒等。但由于滲氮層較薄，不適于承受重載的耐磨零件?！　怏w參氮可采用一般滲氮法（即等溫滲氮）或多段（二段、三段）滲氮法。前者是在整個滲氮過程中滲氮溫度和氨氣分解率保持不變。溫度一般在480～520℃之間,氨氣分解率為15～30%,保溫時間近80小時。這種工藝適用于滲層淺、畸變要求嚴(yán)、硬度要求高的零件，但處理時間過長。多段滲氮 是在整個滲氮過程中按不同階段分別采用不同溫度、不同氨分解率、不同時間進行滲氮和擴散。整個滲氮時間可以縮短到近50小時，能獲得較深的滲層，但這樣滲氮溫度較高，畸變較大?！　∵€有以抗蝕為目的的氣體滲氮，滲氮溫度在550～700℃之間,保溫0.5～3小時，氨分解率為35～70%，工件表層可獲得化學(xué)穩(wěn)定性高的化合物層，防止工件受濕空氣、過熱蒸汽、氣體燃燒產(chǎn)物等的腐蝕?！　≌５臍怏w滲氮工件，表面呈銀灰色。有時，由于氧化也可能呈藍色或黃色，但一般不影響使用。離子滲氮　　又稱輝光滲氮，是利用輝光放電原理進行的。把金屬工件作為陰極放入通有含氮介質(zhì)的負(fù)壓容器中，通電后介質(zhì)中的氮氫原子被電離，在陰陽極之間形成等離子區(qū)。在等離子區(qū)強電場作用下，氮和氫的正離子以高速向工件表面轟擊。離子的高動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱工件表面至所需溫度。由于離子的轟擊，工件表面產(chǎn)生原子濺射，因而得到凈化，同時由于吸附和擴散作用，氮遂滲入工件表面。　　與一般的氣體滲氮相比，離子滲氮的特點是：①可適當(dāng)縮短滲氮周期；②滲氮層脆性小；③可節(jié)約能源和氨的消耗量；④對不需要滲氮的部分可屏蔽起來，實現(xiàn)局部滲氮；⑤離子轟擊有凈化表面作用，能去除工件表面鈍化膜，可使不銹鋼、耐熱鋼工件直接滲氮。⑥滲層厚度和組織可以控制。離子滲氮發(fā)展迅速，已用于機床絲桿、齒輪、模具等工件。氮碳共滲　　低溫氮碳共滲又稱軟氮化,即在鐵-氮共析轉(zhuǎn)變溫度以下，使工件表面在主要滲入氮的同時也滲入碳。碳滲入后形成的微細(xì)碳化物能促進氮的擴散，加快高氮化合物的形成。這些高氮化合物反過來又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促進便加快了滲入速度。此外，碳在氮化物中還能降低脆性。氮碳共滲后得到的化合物層韌性好，硬度高，耐磨，耐蝕，抗咬合?！　〕Ｓ玫牡脊矟B方法有液體法和氣體法。處理溫度530～570℃，保溫時間1～3小時。早期的液體鹽浴用氰鹽，以后又出現(xiàn)多種鹽浴配方。常用的有兩種：中性鹽通氨氣和以尿素加碳酸鹽為主的鹽，但這些反應(yīng)產(chǎn)物仍有毒。氣體介質(zhì)主要有：吸熱式或放熱式氣體（見可控氣氛）加氨氣；尿素?zé)岱纸鈿?；滴注含碳、氮的有機溶劑，如甲酰胺、三乙醇胺等?！　∏杌痗yaniding，指高溫碳氮共滲（早期的碳氮共滲是在有毒的氰鹽浴中進行）。由于溫度比較高，碳原子擴散能力很強，所以以滲碳為主,形成含氮的高碳奧氏體，淬火后得到含氮高碳馬氏體。由于氮的滲入促進碳的滲入,使共滲速度較快，保溫4～6h可得到0.5～0.8mm的滲層，同時由于氮的滲入，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，加上共滲溫度比較低，奧氏體晶粒不會粗大，所以鋼件碳氮共滲后可直接淬油，滲層組織為細(xì)針狀的含氮馬氏體加碳氮化合物和少量殘余奧氏體。碳氮共滲層比滲碳層有更高的硬度、耐磨性、抗蝕性、彎曲強度和接觸疲勞強度。但一般碳氮共滲層比滲碳層淺，所以一般用于承受載荷較輕，要求高耐磨性的零件?！　〉脊矟B不僅能提高工件的疲勞壽命、耐磨性、抗腐蝕和抗咬合能力，而且使用設(shè)備簡單，投資少，易操作，時間短和工件畸變小，有時還能給工件以美觀的外表。輝光離子氮化　　一、優(yōu)點：滲氮時間短，質(zhì)量容易控制，氮化層耐疲勞、有高強度，由于氮化溫度在520-540，所以工件變形小，表面抗磁性高?！　《?、缺點：設(shè)備控制復(fù)雜，爐溫均勻性不好。 　滲氮脆性檢驗　　級別滲氮層脆性級別說明1壓痕邊角完整無缺2壓痕一邊或一角碎裂3壓痕二邊或二角碎裂4壓痕三邊或三角碎裂5壓痕四邊或四角碎裂　　b、滲氮層脆性檢驗一般采用維氏硬度計，試驗力10公斤，試驗力的加載必須緩慢（在5-9S內(nèi)完成），試驗力加載完成后必須停留5-10S，然后卸載試驗力，特殊情況也可采用5KG或者30KG試驗力?！　、維氏硬度壓痕在顯微放大100倍下進行檢查，每件至少測3點，其中兩點以上處于相同級別時，才能定級。否則需重新檢驗?！　、滲氮層脆性應(yīng)在零件工作部位或隨爐試樣的表面上檢測，一般零件為1-3級為合格，重要零件1-2級為合格，對于滲氮后留有磨痕的零件，也可在磨去加工余量后的表面上進行測定　　e、經(jīng)氣體滲氮后的零件，必須進行檢驗。滲氮前的處理　　在滲氮零件的整個制造過程中，滲氮往往是最后一道工序，至多再進行精磨或研磨。滲氮零件的工藝流程一般為：鍛造→正火（退火）→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→去應(yīng)力→精磨→滲氮→精磨→裝配?！　〉暗念A(yù)熱處理包括正火（退火）、調(diào)質(zhì)處理、去應(yīng)力?！　．正火（退火），其目的是細(xì)化晶粒、降低硬度、消除鍛造應(yīng)力?！　．調(diào)質(zhì)處理，可以改善鋼的加工性能，獲得均勻的回火索氏體組織，以保證零件心部有足夠的強度和韌性，同時又能使?jié)B氮層和基本結(jié)合牢固?！　．去應(yīng)力處理，對于形狀復(fù)雜的精密零件，在滲氮前應(yīng)進行1~2次去應(yīng)力，以減少滲氮過程中的變形。滲氮前的生產(chǎn)準(zhǔn)備　　a．去污處理。零件裝爐前要用汽油或酒精進行脫脂、去污處理，零件表面不允許有銹蝕及臟污。　　b．防滲處理。對零件非滲氮部分，可用電鍍或涂料法進行防滲氮處理。　　c．滲氮件的表面質(zhì)量應(yīng)良好，不允許有脫碳層存在，因此，零件在預(yù)先熱處理前應(yīng)留有足夠的加工余量，以便在滲氮前的機加工能將脫碳層全部去除，以保證滲氮層的質(zhì)量?！　．裝爐前檢查設(shè)備和滲氮夾具、電系統(tǒng)、管道、氨分解測定儀等應(yīng)保證正常使用；滲氮夾具不允許有贓物或氧化皮，如有應(yīng)清除?！　．隨爐試樣。隨爐的試樣應(yīng)與滲氮零件通材料并經(jīng)過同樣的預(yù)先處理?！　、蹪B氮工藝常用的氣體滲氮工藝有等溫滲氮、二段式滲氮和三 段式滲氮三種方法。　　a．等溫滲氮也稱一段式滲氮法。它是在恒溫下進行長時間保溫的滲氮工藝，滲氮溫度510~530℃，其滲氮工藝曲線如圖2-42所示?！　〉谝浑A段保溫15~20h，為吸氮階段。這一階段采用較低的氨分解率（18%%）。零件表面因洗后大量氮原子而與零件心部形成氮濃度差。第二階段為擴散階段。在這個階段為家少活性氮原子的數(shù)量而將氨分解率提高到30%~40%，保溫時間在60h左右?！　闇p少滲氮層的脆性，在滲氮結(jié)束前2~4h進行退氮處理，氨分解率提高到70%以上，退氮溫度提高到560~570℃。等溫滲氮工藝過程簡單，滲氮溫度較低、滲層淺、零件變形小、表面硬度高，但滲氮速度慢，產(chǎn)生周期長，適用于滲氮深度淺，尺寸精度和硬度要求高的零件?！　．兩段式滲氮兩段式滲氮工藝曲線如圖2-43所示。第一階段的工藝參數(shù)（除保溫時間外）與等溫滲氮相同。第二階段把滲氮溫度提高到550~560℃，以加速氮原子的擴散，縮短滲氮周期，氨分解率提高到40%~60%。根據(jù)對滲氮層的脆性要求，急速前也應(yīng)提前2h提高氨分解率和溫度進行退氮處理?！　啥问綕B氮的時間比等溫滲氮短，表面硬度稍微低，變形略有增大，適用于滲氮層較深批量較大的零件。　　c．三段式滲氮三段式滲氮工藝曲線如圖2-44所示?！　?它是在二段式滲氮基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這種工藝是將第二階段的溫度適當(dāng)提高，以加快滲氮過程，同時增加較低溫度的第三階段，以彌補因第二階段氮的擴散快而使表面氮濃度過低，保證表面含氮量以提高表面硬度?！　∪问綕B氮能進一步提高滲氮速度，但硬度比一般滲氮工藝低，脆性、變形等比一般滲氮工藝略大。氮碳共滲和碳氮共滲的區(qū)別氮碳共滲：又稱軟氮化或低溫碳氮共滲,即在鐵-氮共析轉(zhuǎn)變溫度以下，使工件表面在主要滲入氮的同時也滲入碳。碳滲入后形成的微細(xì)碳化物能促進氮的擴散，加快高氮化合物的形成。這些高氮化合物反過來又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促進便加快了滲入速度。此外，碳在氮化物中還能降低脆性。氮碳共滲后得到的化合物層韌性好，硬度高，耐磨，耐蝕，抗咬合。常用的氮碳共滲方法有液體法和氣體法。處理溫度530～570℃，保溫時間1～3小時。早期的液體鹽浴用氰鹽，以后又出現(xiàn)多種鹽浴配方。常用的有兩種：中性鹽通氨氣和以尿素加碳酸鹽為主的鹽，但這些反應(yīng)產(chǎn)物仍有毒。氣體介質(zhì)主要有：吸熱式或放熱式氣體（見可控氣氛）加氨氣；尿素?zé)岱纸鈿?；滴注含碳、氮的有機溶劑，如甲酰胺、三乙醇胺等。氮碳共滲不僅能提高工件的疲勞壽命、耐磨性、抗腐蝕和抗咬合能力，而且使用設(shè)備簡單，投資少，易操作，時間短和工件畸變小，有時還能給工件以美觀的外表。碳氮共滲：以滲碳為主同時滲入氮的化學(xué)熱處理工藝。它在一定程度上克服了滲氮層硬度雖高但滲層較淺，而滲碳層雖硬化深度大，但表面硬度較低的缺點。應(yīng)用較廣泛的只有氣體法和鹽浴法。氣體碳氮共滲介質(zhì)是滲碳劑和滲氮劑的混合氣，例如滴煤油（或乙醇、丙酮）、通氨；吸熱或放熱型氣體中酌加高碳勢富化氣并通氨；三乙醇胺或溶入尿素的醇連續(xù)滴注。[C]、[N]原子的產(chǎn)生機制除與滲碳、滲氮相同外，還有共滲劑之間的合成和分解：CO+NH3?HCN+H2OCH4+NH3?HCN+3H22HCN?2[C]+2[N]+H2碳氮共滲并淬火、回火后的組織為含氮馬氏體、碳氮化合物和殘余奧氏體。深0.6～1.0mm的碳氮共滲層的強度、耐磨性與深1.0～1.5mm的滲碳層相當(dāng)。為減少變形，中等載荷齒輪等可用低于870℃的碳氮共滲代替930℃進行的滲碳。碳氮共滲層比滲碳層有更高的硬度、耐磨性、抗蝕性、彎曲強度和接觸疲勞強度。但一般碳氮共滲層比滲碳層淺，所以一般用于承受載荷較輕，要求高耐磨性的零件。氮碳共滲處理溫度低、時間短、變形小，適用于碳鋼、合金鋼和一些模具的處理