第六章第三節(jié) 金屬表面化學(xué)熱處理

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1、2021-9-241第三節(jié) 金屬表面化學(xué)熱處理 2021-9-242一、概述 (一)金屬表面化學(xué)熱處理過程 金屬表面化學(xué)熱處理是利用元素?cái)U(kuò)散性能,使合金元素滲入金屬表層的一種熱處理工藝。其基本工藝過程是:首先將工件置于含有滲入元素的活性介質(zhì)中加熱加熱到一定溫度,使活性介質(zhì)通過分解,并釋放出欲滲入元素的活性原子,活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金屬表層擴(kuò)散滲入形成一定厚度的擴(kuò)散層,從而改變表層的成分、組織和性能。 2021-9-243熱滲鍍化學(xué)熱處理用加熱擴(kuò)散的方法把一種或幾種元素滲入基體金屬的表面,可得到一擴(kuò)散合金層,但有時(shí)表面上還會殘留一薄的覆層。因此被稱為熱滲鍍。該技術(shù)的突出

2、特點(diǎn)是表面強(qiáng)化層的形成主要依靠加熱擴(kuò)散的作用,因而不存在結(jié)合力不足的問題。 熱滲鍍材料的選擇范圍很寬,滲入不同元素可得到不同組織和性能的表面,這些性能包括耐腐蝕性、耐磨性、耐高溫氧化性等。 2021-9-244(二)金屬表面化學(xué)熱處理的目的(1)提高金屬表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。如滲氮可使金屬表面硬度達(dá)到950HV1200HV;滲硼可使金屬表面硬度達(dá)到1400HV2000HV等,因而工件表面具有極高的耐磨性。 2021-9-245(2)提高材料疲勞強(qiáng)度。 如滲碳、滲氮、滲鉻等滲層中由于相變使體積發(fā)生變化,導(dǎo)致表層產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力,從而提高疲勞強(qiáng)度。(3)使金屬表面具有良好的抗粘著、抗咬合的

3、能力和降低摩擦系數(shù),如滲硫等。(4)提高金屬表面的耐蝕性,如滲氮、滲鋁等。2021-9-246(三)化學(xué)熱處理滲層的基本組織類型(1)形成單相固溶體。如滲碳層中的鐵素體相等。(2)形成化合物。如滲氮層中的相(F2-3N),滲硼層中Fe2B等。(3)化學(xué)熱處理后,一般可同時(shí)存在固溶體、化合物的多相滲層。2021-9-247(四)化學(xué)熱處理種類 根據(jù)滲入元素的介質(zhì)所處狀態(tài)不同,化學(xué)熱處理可分以下幾類:(1)固體法:包括粉末填充法、膏劑涂覆法、電熱旋流法、覆蓋層(電鍍層、噴鍍層等)擴(kuò)散法等。(2)液體法:包括鹽浴法、電解鹽浴法、水溶液電解法等。(3)氣體法:包括固體氣體法、間接氣體法、流動粒子爐法等

4、。(4)等離子法:2021-9-248按復(fù)合手段劃分有電泳滲、料漿滲(或膏劑滲)、噴涂滲、電鍍滲、化學(xué)鍍滲等。2021-9-249熱滲鍍-化學(xué)熱處理2021-9-24101固滲法粉末包滲法在粉末中加入了防粘結(jié)粉末(如在粉末中加入了防粘結(jié)粉末(如Al2O3)和活化劑(助滲劑)?;罨瘎┮话銥辂u化和活化劑(助滲劑)?;罨瘎┮话銥辂u化物,如物,如MH4CI,MH4Br,MH4I等。包滲等。包滲示意圖見圖示意圖見圖4-2。以NH4Cl為例,加熱時(shí)發(fā)生下列反應(yīng): 2021-9-2411粉末包滲法的優(yōu)點(diǎn): 設(shè)備簡單,操作容易,適用于形狀復(fù)雜的工件的滲鍍;缺點(diǎn): 效率低,尺寸受限制,溫度高,時(shí)間長,基體金屬的

5、強(qiáng)度有一定降低。 2021-9-2412流化床法 與粉末包滲法相似,不同之處是將工件放于帶有固體滲劑的流化床內(nèi),然后加熱,同時(shí)通人鹵氣和運(yùn)載氣體(H2 ,Ar),使之與流體粒子反應(yīng)產(chǎn)生欲滲金屬的活性原子滲入工件。特點(diǎn):傳熱性好,滲速快,滲層質(zhì)量高并有利于機(jī)械化和自動化;缺點(diǎn):流化床設(shè)備裝置成本極高,運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用大,因此這種方法尚未推廣使用。 2021-9-24132液滲法 熱浸法 將工件直接浸入某一液態(tài)金屬中,經(jīng)較短時(shí)間即形成合金鍍層。當(dāng)浸漬時(shí)間極短時(shí),所形成的鍍層只是附著層而不是擴(kuò)散層,因而與基體金屬結(jié)合不牢固,因此一般在熱浸后還要加熱使鍍層進(jìn)行擴(kuò)散,以形成合金層。優(yōu)點(diǎn):設(shè)備簡單,操作容易,因而

6、被廣泛采用。這種方法多用于鋼鐵制品的鍍鋅、鍍鋁、鍍錫等。 2021-9-2414熔燒法熔燒法是把滲鍍金屬或合金粉末加粘結(jié)劑后制成料漿,再將料漿均勻涂敷于工件表面上,干燥后在惰性氣體或真空環(huán)境中以稍高于料漿熔點(diǎn)的溫度加熱燒結(jié)通過液固界面擴(kuò)散而形成合金層。與熱浸法相比,該法能獲得成分和厚度都很均勻的滲層,同時(shí)具有熱傳遞性好、滲速快等特點(diǎn)。2021-9-2415鹽浴法 鹽浴法是目前世界上采用的較新的熱滲鍍技術(shù),其基本原理是在金屬鹽熔融液體中加入V,Nb,Cr,Ti,Ta等鐵合金粉末,然后把含有較高C,N的鋼件浸入(可預(yù)先進(jìn)行滲碳、氮化或碳、氮共滲),在8001250溫度下,經(jīng)過0.510h的時(shí)間后,

7、可在表面上形成一極硬的金屬的碳氮化合物薄層,從而賦予工件表面高的耐磨性。 2021-9-24163氣滲法 氣滲首先把工件加熱到滲劑原子在基體中能產(chǎn)生顯著擴(kuò)散的溫度,然后把含有滲鍍金屬鹵化物(MCl2)的氫氣通入,氣體和表面接觸時(shí),工件表面的金屬A和氫本身與MCl2發(fā)生反應(yīng)。 反應(yīng)生成的活性原子M滲入工件表面。2021-9-2417實(shí)現(xiàn)氣滲工藝的具體方法很多,大致可分為兩大類:一類是滲鍍金屬同工件不在同一空間,用氫氣做載體把欲滲金屬的鹵化物運(yùn)載到工件表面;另一類是滲鍍金屬同工件在同一空間,使HCl氣體先流過被加熱了的滲劑金屬產(chǎn)生金屬氯化物氣體,隨后使氯化物氣體流經(jīng)金屬表面,置換出活性原子M,進(jìn)行

8、滲鍍。優(yōu)點(diǎn):滲層厚度均勻,易控制,對異形件和小孔結(jié)構(gòu)的滲鍍效果好,且無粉塵,勞動條件好。2021-9-24184離子轟擊滲鍍法離子轟擊滲鍍法是利用物質(zhì)的第四態(tài)等離子體進(jìn)行滲鍍。等離子體是利用低真空下氣體輝光放電獲得的,因?yàn)殡x子活性比原子高,加上電場的作用,因此滲速較高,質(zhì)量較好。但是該法除離子氮化已經(jīng)成熟,包括滲碳在內(nèi)的離子滲金屬尚在開發(fā)之中。2021-9-24195復(fù)合滲 復(fù)合滲實(shí)際上是固滲的發(fā)展,即采用各種鍍層手段先在工件表面制造一固相涂層,然后把工件連同涂層一起加熱。加熱的方法很多,諸如普通加熱爐加熱、高頻感應(yīng)加熱、通電加熱、輝光放電加熱,以及電子束、離子束加熱等。 電泳滲 、料漿滲(或

9、稱膏劑滲) 、噴鍍滲 、電鍍滲 、化學(xué)鍍滲 、真空滲鍍 2021-9-2420熱滲鍍原理熱滲鍍的基本過程應(yīng)包括四個(gè)步驟,即:介質(zhì)中發(fā)生化學(xué)反應(yīng),以提供界面反應(yīng)所需要的反應(yīng)物;反應(yīng)物通過擴(kuò)散輸運(yùn)至金屬表面,此稱為外擴(kuò)散;反應(yīng)物中的某些粒子被金屬表面吸附,并發(fā)生界面反應(yīng);界面反應(yīng)產(chǎn)生的活性原子為金屬表面層吸收并向縱深遷移,達(dá)到一定的深度,此稱內(nèi)擴(kuò)散。 2021-9-2421在這四個(gè)步驟中,最值得注意的是進(jìn)行最慢的步驟,或者說是控制步驟。一般說來步驟速度快,不會對整個(gè)過程產(chǎn)生阻礙作用。步驟雖然是一個(gè)擴(kuò)散過程,但此擴(kuò)散是在氣態(tài)或液態(tài)下進(jìn)行,擴(kuò)散速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于元素在固態(tài)內(nèi)的擴(kuò)散,因而也不可能成為控制步驟

10、。實(shí)踐證明后兩個(gè)步驟都有可能成為過程中的控制步驟。 實(shí)踐中可根據(jù)滲層深度和時(shí)間的關(guān)系來判定究竟是步驟還是是控制步驟。 2021-9-2422滲碳過程以水煤氣的滲碳過程為例,其四個(gè)過程可示意性地表示于圖中 2021-9-2423滲層的形成條件 滲層是基體金屬和滲入元素原子混合或化合組成的薄合金層,所以,滲鍍的條件是:1)滲入元素必須能與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物;2)滲入元素與基體金屬必須保持緊密的接觸,或者說滲入元素可以在界面被吸附;3)必須保持一定的溫度,即使原子獲得足夠的擴(kuò)散動力;4)生成活性原子的化學(xué)反應(yīng)必須滿足一定的熱力學(xué)條件。 2021-9-2424TRD滲鍍法 TRD(Sur

11、face Coating by Thermo-Reactive Deposition and Diffusion)稱為熱反應(yīng)沉積和擴(kuò)散的表面覆層法,簡稱為TRD滲鍍法或TD法。該工藝是日本豐田中央研究所開發(fā)的。具體工藝有熔鹽浸鍍法、電解法及粉末法。應(yīng)用最廣泛的是用熔鹽浸鍍法在工件表面上涂覆VC,NbC,CrxCy等碳化物。該工藝于1971年開始投入應(yīng)用。 2021-9-2425處理方法 將7090的硼砂放入耐熱鋼坩堝中熔融后,向坩堝中加入可形成欲鍍覆的碳化物的物質(zhì)。例如欲涂 VC時(shí),加入FeV的合金粉末或 V2O5粉末,將含碳的鋼件浸入此鹽浴中,在8001200保溫110h,便得到了僅由碳化物

12、鍍覆的表面層。2021-9-2426處理方法如需鍍覆NbC、CrxCy,則在鹽浴中加入 FeNb,Nb2O5,F(xiàn)e-Cr,Cr2O3合金粉末或金屬氧化物粉末。若采用金屬氧化物,還需在鹽浴中添加Al,Ca,Ti, Fe-Ti, Fe-Al等物質(zhì),以保持鹽浴的活性,使金屬原子得以在鹽浴中被還原出來。碳的來源完全依靠鋼中自身的碳向外擴(kuò)散。2021-9-24272021-9-2428影響涂層厚度的因素 影響涂層厚度的主要因素是鹽浴溫度、處理時(shí)間和鋼中的含碳量。 鍍層成長的速率主要取決于碳原子的擴(kuò)散速率。 按A的不同,若要在鋼的表面形成510m厚的碳化物,約需30分鐘到數(shù)小時(shí)。顯然鋼中的含碳量越高,溫度

13、越高,鍍層增厚越快。2021-9-2429鍍層性能 X射線分析發(fā)現(xiàn),TD法所得鍍層幾乎全由純碳化物組成,碳化物層的成分不受基體金屬的影響,不存在Fe,O,P,S等成分。典型的VC鍍層無微孔,在顯微鏡下呈白亮色,基體金屬與碳化物層之間有清晰的界面。不過,如在1050處理,則碳化物形成元素將擴(kuò)散到基體金屬中,這對改善鍍層與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度十分有利。 2021-9-24301硬度 TD法所得鍍層硬度大大高于淬火、鍍鉻或氮化的硬度;VC和TiC的硬度約為HV3000,NbC約為HV2500,VC,CrxCy,NbC在800以上仍有HV800以上的高硬度。 2021-9-24312021-9-2432

14、2耐磨性快速磨損試驗(yàn)機(jī)研究了以SCM15為配對材料、幾種鋼經(jīng)TD處理或其它處理的磨損量,發(fā)現(xiàn):鍍覆VC,NbC,TiC的耐磨性顯然比氮化、滲硼、鍍鉻、放電硬化等其它表面處理優(yōu)越而與硬質(zhì)合金的耐磨性相同或更好,與用CVD和PVD法鍍覆的TiC層耐磨性相同。2021-9-24333抗熱粘結(jié)性 研究表明:以鋼、銅及鉛為配對材料的抗熱粘結(jié)性,發(fā)現(xiàn)鍍覆VC,NbC,TiC的材料與未作鍍覆處理的或作其它表面處理的材料相比,前者卻不易發(fā)生熱粘結(jié)。跟易于發(fā)生熱粘結(jié)的不銹鋼進(jìn)行環(huán)壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),涂覆碳化物也具有良好的抗熱粘結(jié)性。 2021-9-24344抗剝離性 用鋼球反復(fù)撞擊試樣的同一部位,研究鍍層的開裂或剝離

15、情況,發(fā)現(xiàn)經(jīng)TD處理的 VC,NbC及 CrxCy鍍層即使撞擊20萬次也不發(fā)生裂紋或剝離;而用CVD和PVD處理的TiC鍍層撞擊510萬次鍍層即剝離。 2021-9-24355抗氧化及耐蝕性 抗氧化性的好壞隨鍍覆的碳化物種類的不同而不同。VC,NbC在500的大氣中幾乎不氧化,不過若在600下保溫1h會有幾微米的碳化物層被氧化。 鍍覆VC,NbC,CrxCy的鋼對于鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、苛性鈉都有良好的耐蝕性,但要避免微孔等缺陷。 2021-9-24366韌脆性 軟氮化或滲碳處理會使材料的韌性降低,而TD處理的材料進(jìn)行艾氏沖擊試驗(yàn)或缺口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其韌性與淬火回火鋼大體處于同一水平。

16、2021-9-2437TRD處理的應(yīng)用及與PVD和CVD鍍層性能的比較 TD處理已經(jīng)在幾乎所有需要耐磨的領(lǐng)域中得到成功的應(yīng)用。在沖壓模。冷鍛模、鑄模等方面的應(yīng)用也是比較多的。 用CVD,PVD和TD法都可以得到薄的碳化物層,但比較起來TD法有許多優(yōu)點(diǎn)。諸如: 2021-9-2438TD法的優(yōu)點(diǎn)設(shè)備簡單,價(jià)格便宜;操作簡便;工件冷卻方法任意選擇;鍍層成分、性能不受處理溫度的影響;易于作局部鍍覆;可作重復(fù)處理,便于返修。 2021-9-2439二、滲硼 滲硼主要是為了提高金屬表面的硬度、耐磨性和耐蝕性??捎糜阡撹F材料、金屬陶瓷和某些有色金屬材料,如鈦、鉭和鎳基合金。這種方法成本較高。 2021-9

17、-2440(一)滲硼原理 滲硼就是把工件置于含有硼原子的介質(zhì)中加熱到一定溫度,保溫一段時(shí)間后,在工件表面形成一層堅(jiān)硬的滲硼層。 在高溫下,供硼劑硼砂與介質(zhì)中SiC發(fā)生反應(yīng): 2021-9-2441若供硼劑為B4C,活性劑為KBF4,則有以下反應(yīng): 2021-9-2442滲硼氣體為BCl3,載氣為H2,比例為BCl3 H2 (0.050.10)l,在滲硼溫度下通入密封爐內(nèi),發(fā)生如下反應(yīng):活性B滲入鋼內(nèi)與Fe形成Fe2B或FeB。該法滲層均勻致密,表面質(zhì)量好。 2021-9-2443(二)滲硼層的組織 硼原子在相或相的溶解度很小,當(dāng)硼含量超過其溶解度時(shí),就會產(chǎn)生硼的化合物Fe2B()。當(dāng)硼含量大于

18、質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.83時(shí),會產(chǎn)生FeB()。當(dāng)硼含量在616時(shí),會產(chǎn)生FeB與Fe2B白色針狀的混合物。一般希望得到單相的Fe2B。 2021-9-2444鐵一硼狀態(tài)圖 2021-9-24452021-9-2446(三)滲硼層的性能(1)滲硼層的硬度很高。如Fe2B的硬度為1300HV1800HV; FeB的硬度為16002200HV。由于FeB脆性大,一般希望得到單相的、厚度為0.07mm0.15mm的Fe2B層。(2)在鹽酸、硫酸、磷酸和堿中具有良好的耐蝕性,但不耐硝酸。(3)熱硬性高,在800時(shí)仍保持高的硬度。(4)在600以下抗氧化性能較好。2021-9-2447滲硼層具有十分優(yōu)異的耐磨性能

19、。試驗(yàn)表明,滲硼試樣的耐磨性能比其它任何處理(如滲碳、碳氮共滲等)都高。此外,滲硼處理還有比較高的耐腐蝕磨損和泥漿磨損能力。 2021-9-244840鋼電解滲硼的硼濃度分布和顯微硬度曲線見圖。第一個(gè)臺階時(shí),B含量為16左右,HV為2000左右,對應(yīng)著FeB()相;第二個(gè)臺階B含量為9左右,HV為1400左右,對應(yīng)著Fe2B()相;第三個(gè)臺階濃度和硬度均較低,對應(yīng)著擴(kuò)散層與基體。FeB很脆,如果工藝得當(dāng),可以在表面上只保留Fe2B,這是理想的滲層。 2021-9-2449(四)滲硼方法 1固體滲硼 固體滲硼是將工件置于含硼的粉末或膏劑中,裝箱密封,放入加熱爐中加熱到9501050保溫一定時(shí)間后

20、,工件表面上獲得一定厚度的滲硼層方法。 這種方法設(shè)備簡單,操作方便,適應(yīng)性強(qiáng),但勞動強(qiáng)度大,成本高。歐美國家多采用固體滲硼。 2021-9-24502021-9-24512氣體滲硼 與固體滲硼的區(qū)別是供硼劑為氣體。氣體滲硼需用易爆的乙硼烷或有毒的氯化硼,故沒有用于工業(yè)生產(chǎn)。3液體滲硼 也叫鹽浴滲硼。這種方法應(yīng)用廣泛。它主要是由供硼劑硼砂+還原劑(碳酸鈉、碳酸鉀、氟硅酸鈉等)組成的鹽浴。 4等離子滲硼 等離子滲硼可以用與氣體滲硼類似的介質(zhì)。這一領(lǐng)域已進(jìn)行了研究,但還沒有工業(yè)應(yīng)用的處理工藝。 2021-9-2452五)鋼鐵材料滲硼 最合適的鋼種為中碳鋼及中碳合金鋼。滲硼后為了改善基體的力學(xué)性質(zhì),應(yīng)

21、進(jìn)行淬火+回火處理,但應(yīng)注意以下幾點(diǎn): (1)滲硼件應(yīng)盡量減少加熱次數(shù)并用緩冷。(2)滲硼溫度高于鋼的淬火溫度時(shí),滲硼后應(yīng)降溫到淬火溫度后再進(jìn)行淬火。(3)滲硼溫度低于鋼的淬火溫度時(shí),滲硼后應(yīng)升溫到淬火溫度后再進(jìn)行淬火。(4)淬火介質(zhì)仍使用原淬火介質(zhì),但不宜用硝鹽分級與等溫處理。(5)滲硼粉中B4C含量對不同鋼種的硼化物層中FeB相影響較大。2021-9-2453滲硼在生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例2021-9-2454目前滲硼主要用于耐磨并且兼有一定的耐蝕性方面,例如鉆井用的泥漿泵零件、滾壓模具、熱鍛模具及某些工夾具。近年來,滲硼還逐漸擴(kuò)大到硬質(zhì)合金、有色金屬和難熔金屬,例如難熔金屬的滲硼已經(jīng)在宇航設(shè)備中

22、獲得應(yīng)用。滲硼還可用于印刷機(jī)凸輪、止推板、各種活塞、離合器軸、壓鑄機(jī)料筒與噴嘴、軋鋼機(jī)導(dǎo)輥、油封滑動軸、塊規(guī)、閘閥和各種拔絲模等。 2021-9-2455(六)有色金屬滲硼 有色金屬滲硼通常是在非晶態(tài)硼中進(jìn)行的。 某些有色金屬如鈦及其合金必須在高純氬或高真空中進(jìn)行,且必須在滲硼前對非晶硼進(jìn)行除氧。大多數(shù)難熔金屬都能滲硼。 2021-9-2456三、滲碳、滲氮、碳氮共滲 滲碳、滲氮、碳氮共滲等可提高材料表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度,在工業(yè)中有十分廣泛的應(yīng)用。 (一)滲碳、碳氮共滲 1結(jié)構(gòu)鋼的滲碳 結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)滲碳后,能使零件工作表面獲得高的硬度、耐磨性、耐侵蝕、磨損性、接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度,而心

23、部具有一定強(qiáng)度、塑性、韌性的性能。常用的滲碳方法有三種: 2021-9-2457(1)氣體滲碳 氣體滲碳是目前生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種滲碳方法,它是在含碳的氣體介質(zhì)中通過調(diào)節(jié)氣體滲碳?xì)夥諄韺?shí)現(xiàn)滲碳目的的。 工業(yè)上一般有井式爐滴注式滲碳和貫通式氣體滲碳兩種。 2021-9-2458(2)鹽浴滲碳 液體滲碳是將被處理的零件浸入鹽浴滲碳劑中,通過加熱使?jié)B碳劑分解出活性的碳原子來進(jìn)行滲碳。如Na2CO37585、NaCl1015、SiC815 就是一種熔融的滲碳鹽浴配方。10鋼在950保溫3h后可獲得總厚度為1.2mm的滲碳層。 2021-9-2459(3)固體滲碳固體滲碳是一種傳統(tǒng)的滲碳方法,它使用

24、固體滲碳劑。在固體滲碳中,膏劑滲碳具有工藝簡單方便的特點(diǎn),主要用于單件生產(chǎn)、局部滲碳或返修使用。為了提高滲碳速度而引進(jìn)了快速加熱滲碳法、真空、離子束滲碳等先進(jìn)的工藝方法,它們均能提高滲碳速度和滲碳質(zhì)量。 2021-9-2460 2高合金鋼的滲碳 工具鋼經(jīng)滲碳后,其表面具有高強(qiáng)度、高耐磨性和高熱硬性。與傳統(tǒng)的模具鋼制造的工具相比,壽命可得到提高。 2021-9-24613碳氮共滲 液體碳氮共滲以往稱氰化。碳氮共滲比滲碳溫度低(700880),變形小,且由于氮的滲入提高了滲碳速度和耐磨性。 2021-9-2462(二)滲氮、氮碳共滲 滲氮、氮碳共滲是在含有氮,或氮、碳原子的介質(zhì)中,將工件加熱到一定

25、溫度,鋼的表面被氮或氮、碳原子滲入的一種工藝方法。滲氮工藝復(fù)雜,時(shí)間長,成本高,所以只用于耐磨、耐蝕和精度要求高的耐磨件,如發(fā)動機(jī)汽缸、排氣閥、閥門、精密絲桿等。2021-9-2463鋼經(jīng)滲氮后獲得高的表面硬度,在加熱到500時(shí),硬度變化不大,具有低的劃傷傾向和高的耐磨性,可獲得500MPa1000MPa的殘余壓應(yīng)力,使零件具有高的疲勞極限和高耐蝕性。在自來水、潮濕空氣、氣體燃燒物、過熱蒸汽、苯、不潔油、弱堿溶液、硫酸、醋酸。正磷酸等介質(zhì)中均有一定的耐蝕性。 2021-9-24641滲氮的分類 (1)低溫滲氮 低溫滲氮是指滲氮溫度低于600的各種滲氮方法, 滲氮層的結(jié)構(gòu)主要決定于Fe-N相圖。

26、其主要滲氮方法有氣體滲氮、液體滲氮、離子滲氮等。2021-9-2465低溫滲氮主要用于結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲氮法。把需滲氮的零件放入密封滲氮爐內(nèi),通入氨氣,加熱至500600,氨發(fā)生以下反應(yīng): 2NH33H22N 生成的活性氮原子N滲入鋼表面,形成一定深度的氮化層。 2021-9-2466根據(jù)FeN相圖,氮溶入鐵素體和奧氏體中,與鐵形成相(Fe4N)和相(Fe2-3N),也溶解一些碳。滲氮后,工件最外層是白色相或相,次外層是暗色共析體層。 2021-9-2467(2)高溫滲氮。高溫滲氮是指滲氮溫度高于共析轉(zhuǎn)變溫度(6001200)下進(jìn)行的滲氮。主要用于鐵素體鋼、奧氏體鋼、難熔金屬

27、(Ti、Mo、Nb、V等)的滲氮。 2021-9-24682各種材料滲氮 (1)結(jié)構(gòu)鋼滲氮 任何珠光體類、鐵素體類、奧氏體類以及碳化物類的結(jié)構(gòu)鋼都可以滲氮。為了獲得具有高耐磨、高強(qiáng)度的零件,可采用滲氮專用鋼種(38CrMoAl)。近年來出現(xiàn)了不采用含鋁的結(jié)構(gòu)鋼的滲氮強(qiáng)化。結(jié)構(gòu)鋼滲氮溫度一般選在500550左右,滲氮后可明顯提高疲勞強(qiáng)度。 2021-9-2469(2)高鉻鋼滲氮工件經(jīng)酸洗或噴砂去除氧化膜后才能進(jìn)行滲氮。為了獲得耐磨的滲層,高鉻鐵素體鋼常在560600進(jìn)行滲氮。滲氮層深度一般不大于0.12mm0.15mm。2021-9-2470(3)工具鋼滲氮高速鋼切削刃具短時(shí)滲氮可提高壽命0.5

28、1倍。推薦滲層深度為0.01mm0.025mm,滲氮溫度為510520。 2021-9-2471(4)鑄鐵除白口鑄鐵、灰鑄鐵、不含AI、Cr等合金鑄鐵外均可滲氮,尤其是球墨鑄鐵的滲氮應(yīng)用更為廣泛。 (5)難熔合金也可以進(jìn)行滲氮,用于提高硬度、耐磨性和熱強(qiáng)性。 2021-9-2472(6)鈦及鈦合金離子滲氮,經(jīng)850后可得到TiN,層深為0.028mm,硬度可達(dá)800HV1200HV。(7)鉬及鉬合金離子滲氮,經(jīng)1150以上溫度滲氮1h,滲氮層深度達(dá)150m,硬度達(dá)300HV800HV。(8)鈮及鈮合金滲氮,在1200滲氮可得到硬度2400HV的滲氮層。2021-9-2473四、滲金屬 滲金屬方

29、法是使工件表面形成一層金屬碳化物的一種工藝方法,即滲入元素與工件表層中的碳結(jié)合形成金屬碳化物的化合物層,如(Cr、Fe)7C3、VC、NbC、TaC等,次層為過渡層。此類工藝方法適用于高碳鋼,滲入元素大多數(shù)為W、Mo、Ta、V、Nb、Cr等碳化物形成元素。為了獲得碳化物層,基材的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須超過0.45。 2021-9-2474五、滲其他元素 (一)滲硅 滲硅是將含硅的化合物通過置換、還原和加熱分解得到的活性硅,被材料表面所吸附并向內(nèi)擴(kuò)散,從而形成含硅的表層。 滲硅的主要目的是提高工件的耐蝕性、穩(wěn)定性、硬度和耐磨性。 2021-9-2475(二)滲硫 低溫電解滲硫主要用于經(jīng)滲碳淬火、滲氮后

30、淬火或調(diào)質(zhì)的工件。 滲層FeS膜厚度為5m15m。若處理不當(dāng),除FeS外,可出現(xiàn) FeS2、FeSO3相,使減摩性能明顯降低。 2021-9-2476(三)多元共滲 1.多元滲硼 多元滲硼是硼和另一種或多種金屬元素順序進(jìn)行擴(kuò)散的化學(xué)熱處理。 2氧氮共滲 氧氮共滲又稱氧氮化,是一種加氧的滲氮工藝。2021-9-2477氧氮共滲氧氮共滲所采用的介質(zhì)有氨水(氨最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)35.28)、水蒸氣加氨氣、甲酸氨水溶液或氨加氧。氧氮共滲后鋼材表面形成氧化膜和氮的擴(kuò)散層。氧化膜為多孔的Fe3O4,有減摩作用,抗粘著性能好。擴(kuò)散層提高了表層硬度,也提高了耐磨性。因此,氧氮共滲兼有蒸汽處理和滲氮的雙重性能,能明顯提高刀具和某些結(jié)構(gòu)件的使用壽命。目前,氧氮共滲主要用于高速鋼切削刀具的表面處理。2021-9-2478

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