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气体氮化与软氮化原理浅析及区别

2015-10-10史楠楠

橡塑技术与装备 2015年20期
关键词:白亮渗氮氮化

史楠楠

(上海交通大学,上海 200240)

气体氮化与软氮化原理浅析及区别

史楠楠

(上海交通大学,上海 200240)

本文介绍了气体氮化和软氮化的原理,气体氮化的两种方式和相应的工艺,针对不同的功用选择不同氮化方法,并对软氮化的几种处理方式进行浅析。根据产品的要求、功能、设备等因素来选择合理的氮化处理方式。

氮化;软氮化;氮碳共渗

近年来,我国的工程机械制造得到了飞速发展,无论对零件技术要求还是零件质量都基本满足日益提高的要求。尤其在热处理方面,大多数情况下,钢制机械的零部件要求耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性、耐咬合性等性能,通常为了满足这些性能,广泛采用表面硬化的方法。

1 气体氮化原理

氮化是应用广泛的一种表面热处理工艺之一,它的过程是把钢铁零件放在加热至一定温度的密封容器中,通过流动的氨气,保持适当的时间,使氨热分解所产生的活性氮原子,渗入到钢铁零件的表层,从而获得一种含氮的组织。这种方法被称为“气体氮化”或俗称“硬氮化”。由于零件经过氮化处理后,具有高的表面硬度和耐磨性,良好的抗腐蚀性,能增加疲劳强度,且变形小等优点,因此,早就在工业生产中得到了应用。

例如氮化钢38CrMoAl在调质状态下氮化后的表面硬度可达洛氏硬度HRC68-72,很高的硬度,耐磨性好,可获得大大超过了渗碳的表面硬度,具有良好的淬透性,加入钼后,抑制了材料的第二类回火脆性。心部具有一定的强韧性,而广泛用于主轴、螺杆、非重载齿轮、气缸筒等需要高硬度、高耐磨而又冲击不大的零件[1]。由于Al的加入,在冶炼过程中易形成非金属夹杂物,有过热敏感型,渗氮层表面脆性倾向大。近年来无Al渗氮钢的应用越来越多,对表面硬度要求不是很高而需较高的心部韧性的零件,可选用40Cr、40CrVA、35CrMo、42CrMo等材料。对工作在循环弯曲或是接触应力较大条件下的重载零件,可选用18Cr2Ni4WA、20CrMnNi3MoV、25Cr2MoVA、38CrNiMoA、30Cr3Mo、38CrNiMoVA等 材 料[2]。曲轴及缸套可选用球墨铸铁或合金铸铁材料。所以被广泛应用于各个工业部门。

通常,按照零件处理的不同要求,气体氮化也可以有耐腐蚀和耐磨两种氮化。碳钢、合金钢以及铸铁零件,若其主要目的是为了提高耐腐蚀的性能,一般采用600~780 ℃温度范围,氨分解率控制在35%~70%,保温时间为0.5~3 h,此种氮化法与抗磨氮化相比,虽然生产周期比较短,但是整个氮化过程仍然需要十几个小时以上。若主要目的是为了提高合金钢的表面耐磨性,则可以进行耐磨氮化。这种氮化法,只是对含有强烈形成氮化物元素的特种氮化钢,如38 CrMoAl才能得到很高的硬度。

其工艺有等温氮化和分段氮化。等温氮化也称一段氮化法,采用480~520 ℃温度范围,氮化时间在40~100 h,氨分解率控制在15%~50%之间,这样的优点是能获得很高的表面硬度以及很小的变形量。

分段氮化有两段发和三段氮化法,一般第一阶段氮化温度采用500~520 ℃(氨分解率18%~25%),时间为15~20 h;第二阶段氮化温度会增加至550~570 ℃,氨分解率40%~65%,时间为20~30 h,第三阶段氮化温度降至520~530 ℃,氨分解率30%~40%,时间为10~20 h。[3]总之,根据零件的具体要求,来选择最适合零件的氮化工艺。

使用最多的渗氮介质是氨气,在渗氮温度是,氨是压稳定的,他发生如下的分解反应[4]。

当活性氮原子遇到铁原子时则发生如下反应

2 软氮化原理

在工件表面同时深入氮、碳元素,且以渗氮为主的工艺方法,就是在Fe—N系的共析温度以下530~570 ℃,进行氮碳共渗的过程,俗称软氮化。

其共渗机理与渗氮相似,随着处理时间的延长,表面氮浓度不断的增加,发生反应扩散,形成白亮层及扩散层。氮碳共渗使用的介质必须能在工艺温度下分解出活性N、C原子。

软氮化的过程与其他化学热处理如渗碳和氮化法一样,可分为三个阶段:

(1)软氮化介质的分解,产生活性碳原子和活性氮原子。

(2)分解出来的活性碳、氮原子被钢铁表层吸收,并且达到饱和状态。

(3)钢的表面层饱和的氮向内层深处扩散。

近几年来,已经发展提出并且现在已经实现的软氮化的方法有很多:

(1)氰盐盐浴的化学反应:

使用氰化盐为主要原料,通入空气或者氧气,氧化成一定浓度的氰酸盐进行软氮化反应:

2NaCHO + O2→ 2NaCNO

2NaCNO+O2→Na2CO3+CO+2[N]

其中CO继续分解:

2CO → [C] + CO2

(2)尿素+碳酸盐软氮化的化学反应:

2(NH2)2CO+Na2CO3→2NaCHO+2NH3+CO2+H2O

2NH3→2N+3H2

2CO → [C] + CO2

(3)吸热型气氛+氨的化学反应:

2NH3→2N+3H2

2CO → [C] + CO2

国外用吸热式的气氛比较多。

(4)甲酰胺热分解的化学反应:

甲酰胺在400~700 ℃温度范围内,按下列反应进行:

HCONH2→NH3+CO

HCONH2→ H2O + HCN

2NH3→2N+3H2

2HCN → 2[N] + H2+ 2[C]

2CO→C+CO2

(5)尿素热分解的化学反应:

将尿素加热到熔点127 ℃时,即分解,在不同的温度范围,其分解的产物也不同。在500 ℃以上的炉膛内,尿素热分解反应比较完全,其反应:

CO(NH2)2→CO+2H2+2[N]

2CO → CO2+ [C]

综合上诉所有的反应式来看,尽管使用的软氮化介质不同,反应的结果都产生活性碳原子和活性氮原子,从而达到软氮化的目的。

3 气体氮化与软氮化的主要区别

(1)在一定温度下向试件表面渗入氮、碳,以渗氮为主,但非单纯渗氮。

(2)气体氮化(耐磨氮化)适用于特殊的氮化钢,而软氮化不只限于特殊氮化钢。碳钢、合金钢、铸铁、粉末冶金裁量均适用。

(3)软氮化时间比较短。软氮化与硬氮化来比较,最大的特点是除了氮化以外,还有一定的渗碳作用。氮化时钢的表面首先被碳饱和,在α-Fe中生成超显微组织的碳化物,这种碳化物能作为氮化的媒介而促进氮化,因此,软氮化的时间比气体氮化的时间大大缩短。

(4)软氮化比普通氮化温度略低,因此变形更小,但硬度和氮化层厚度略差,且气体软氮化无毒。

(5)氮化和软氮化两者都会形成ε相的白亮层。对于氮化来说,这个白亮层常常有Fe2N脆性相存在,裂纹敏感性大,应该尽量避免,而在应用中,也是要把此白亮层磨去后在使用,尤其是功能使用面。而软氮化的白亮层具有很好的韧性,裂纹敏感性比较小,使用时是靠白亮层来起作用的。

4 总结

根据产品的功能要求以及设备情况,选择合理合适的氮化工艺,从而提高产品的性能。

[1] 上海市机械制造工艺研究所,气体软氮化[M].机械工业出版社.

[2] 中国机械工程学会热处理学会,热处理手册工艺基础4版[M]. 北京:机械工业出版社,2008.1,344页.

[3] 乌曼斯基,金属学物理基础[M].

[4] 太菲舍. 钢铁材料热处理渗氮和氮碳共渗[M],联邦德国.

Principle and distinction of gas nitriding and soft nitriding

TG156

1009-797X (2015) 20-0057-03

A DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.20.007

史楠楠(1984-),女,毕业于江南大学,本科学历,初级工程师,研究方向为气体软氮化。

2015-09-15

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