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钢的渗氮

　　(强化渗氮;抗蚀渗氮)使氮原子渗入钢的表面,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(450-600C)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)、成本高、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。

　　渗氮用钢---从理论上讲,所有的钢铁材料都能渗氮。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表面的钝化膜,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,但只是表面很薄的一层(铬钼铝钢于500--540C经35--65h渗氮层深只达0.3--0.65mm) 。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,大部分渗氮零件是在有摩擦和复杂的动载荷条件下工作的,不论表面和心部的性能都要求很高。
　　如果用碳钢进行渗氮,形成Fe4N和Fe2N较不稳定。温度稍高,就容易聚集粗化,表面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。
　　为了在表面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Al、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,是形成氮化物提高渗氮层强度的主要合金元素。AlN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氮性能,此钢经过渗氮表面硬度高达1100--1200HV(相当67--72HRC)。 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。

渗氮零件注意事项:
　　(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。工模具钢必须采用淬火回火,不得用退火。
　　(3)渗氮零件的表面粗糙度Ra应小于1.6um,表面不得有拉毛、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)表面未经磨削处理的工件,不得进行氮化。

防止渗氮方法
　　(1)镀锡法---在防渗表面镀10--15um的锡层,防渗层太薄则效果差,厚了又容易使锡漫流。
　　(2)涂料法---将锡粉、铅粉、氧化铬粉以3:1:1比例混匀,用氯化锌浴液调成稀糊状涂于零件防渗表面,或用水玻璃　(质量分数为10--15％)和石墨粉(质量分数为85--90％)调成糊状涂刷后,缓慢烘干。
　　(3)工装法----自制专用工装,把不需渗氮的部位封闭密封。
　　渗氮后的零件,工作表面即能获得高硬度,一般情况下不再进行其他加工,因此常是最后一道工序(氮化后的工件至多再进行精磨或研磨加工)。可得到 600--1200HV的表面硬度,耐磨性很高。这一高硬度可保持引500C(长期),甚至600C(短期),疲劳极限可提高30--300％,抗蚀性能也得到提高。
　　钢的碳氮共渗---就是将碳、氮同时渗入工件表层的化学热处理过程(加热温度高于临界温度Ac1或Ac3 ,不宜高于900C,以吸收碳原子为主)。兼有两者的长处,这种工艺有逐步代替渗碳的趋势。主要优点如下:
　　(1)渗层性能好---共渗层比渗碳层的耐磨性和疲劳强度更高,比渗氮层有更高的抗压强度和较低的表面脆性。
　　(2)渗入速度快---由于氮的渗入不仅降低了渗层的临界点,同时还增加了碳的扩散速度。
　　(3)变形小---碳氮共渗温度比渗碳低,晶粒不会长大,适宜于直接淬火,可以减小变形。
　　(4)不受钢种的限制---各种钢铁材料都可以进行碳氮共渗。但是,由于碳氮共渗零件的渗层较薄,为了提高心部强度,因而多选用含碳较多的钢;对于要求表面高硬度、高耐磨性的零件，常采用40Cr , 40CrMo ,40CrNiMo , 40CrMnMo等中碳合金结构钢。
　　碳氮共渗的缺点是共渗层较薄,易产生黑色组织。