热处理原理与工艺 教学课件 ppt 作者 侯旭明 第十四章教案.doc

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1、第十四章钢的渗氮渗氮是在一定温度下于一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。渗氮处理后的零件具有如下特点：1）具有高的表面硬度及耐磨性含Al、Cr、Mo等的合金钢渗氮后硬度可达950～1200HV，并可维持到500℃左右。2）具有高的疲劳强度和抗大气和淡水腐蚀能力。3.）工件变形小，适合精密零件的最终处理，但时间很长。渗层也较薄，不适于承受重载荷。按介质不同，可分为气体渗氮和液体渗氮。按渗氮目的不同可分为强化渗氮和抗蚀渗氮。本章主要介绍渗氮的基本原理、渗氮层的组织和性能、气体渗氮工艺的制订方法。第一节渗氮层组织与性能一、Fe－N系相图与基本相α相：是氮在α－Fe

2、中的间隙固溶体（含氮铁素体），体心立方晶格，其中氮含量在室温时不超过0.001%，在590℃为0.1%。γ相：是氮在γ－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。共析成分为2.35%，温度缓慢下降通过590℃时，γ相发生共析转变γ→α＋γ′。如在γ相区快速冷却，则会得到含氮马氏体（与含碳马氏体类似）。γ′相：是一种成分可变的间隙相，面心立方晶格，450℃时含氮量为5.7～6.7%，氮原子有序地占据间隙位置，当含氮量为5.9%时，其成分符合Fe4N，γ′相大约在680℃以上发生分解并溶于ε相中。ε相：为一可变成分的氮化物，具有密排六方晶格

3、，在一般氮化温度范围内ε相的成分大致在Fe2N～Fe3N之间（8.25～11%N）。随温度的降低ε相将析出γ′相。ξ相：ξ相极脆，渗氮层一般不允许出现ξ相。二、纯铁渗氮层组织与性能图14-2为渗氮层组织和氮含量分布示意图（略）各相性能特点：ε相硬度约为265HV，γ′相为550HV，含氮马氏体为650HV。α相韧性最好，ε相较脆，并脆性随含氮量增加而增大；γ′相脆性较小；ξ相很脆，一般不允许渗氮层出现ξ相。ε相具有良好的抵抗大气和淡水腐蚀的性能。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的扩散速度降低，使渗氮层的深度减小。碳素钢渗氮层的组织与纯铁

4、渗氮层组织大致相同，碳可溶于ε中，形成Fe2~3（C，N），使之硬度提高、脆性降低，但γ′几乎不溶解碳。氮在钢中能溶入渗碳体而形成含氮渗碳体Fe3（C，N）。2.合金元素的影响1)溶于α相中的W、Mo、Cr等元素提高氮在α相中的溶解度，延缓氮化物的形成。2)形成合金化的γ′相和ε相，如（Fe、Me)N和（Fe、Me)2-3N等。3）形成合金氮化物氮化物具有极高硬度（其热稳定性很好，在500℃左右基本不发生明显聚集长大），且以极细粒状弥散分布在渗氮层基体中，并与基体α共格，可产生强烈的弥散强化作用。这是造成其高硬度的主要原因。Al主要是溶于γ′中，造成γ′晶格强烈畸变，从

5、而造成硬化。Al的硬化作用也非常显著。含Al合金钢一般不形成AlN。由于碳钢中的氮化物没有合金氮化物硬度高，故碳钢渗氮后硬度不如合金钢高。中、高碳钢的化合物层硬度约为500~600HV，合金钢化合物层的硬度可高达1000~1200HV。4）合金元素减少渗氮层深度所有合金元素都不同程度降低了氮在α相中的扩散速度，因而使渗氮层深度减小，如图14-4所示。第二节气体渗氮一、渗氮钢和渗氮前的预备热处理1）渗氮钢常选用含铬、钼、钨、钒等能形成强氮化物元素的中、低碳合金钢进行渗氮。其中最典型的氮化钢是38CrMoAIA钢，Cr12、Cr12MoV等工模具钢也可进行渗氮处理。2）渗氮

6、前的预备热处理下料→锻造→预备热处理→粗加工→调质→半精加工→去应力退火→粗磨→渗氮→精磨。渗氮前调质处理工艺规范对渗氮质量影响极大二、气体渗氮工艺一）气体渗氮基本装置渗氮装置示意图见图14-5。二）气体渗氮工艺参数1.渗氮温度渗氮温度常选在480～560℃。渗氮温度越低，表面硬度越高；温度过高，共格破坏、合金氮化物聚集长大，硬度下降。随渗氮温度的升高，氮原子扩散速度增大，渗氮速度加快、渗层增厚，但畸变量也增大。为了不改变调质后的心部强度与硬度，渗氮温度要比调质处理的回火温度低40～70℃。2.渗氮时间渗氮时间通常很长，具体零件的渗氮时间取决技术要求、渗氮条件等。渗氮时

7、间对渗氮层深度的影响如图14-7所示。3.氨分解率氨分解率是表示在某一温度下，分解的氮、氢混合气体占炉气总体积的百分比。分解率的大小取决于渗氮温度、氨气的流量、炉内压力、零件的表面情况及有无催化剂等因素。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见图14-9。三）气体渗氮工艺方法1.表面强化渗氮1）等温渗氮法等温渗氮工艺（见图14-10）是在同一温度下长时间保温的渗氮方法。渗氮件入炉一般应采用低温入炉或预热升温的方法。在渗氮前20h用较低的氨分解率（18%~25%），在渗氮中期，适当提高分解率，以适当降低表面氮含量，减