下载

5下载券

加入VIP
  • 专属下载特权
  • 现金文档折扣购买
  • VIP免费专区
  • 千万文档免费下载

上传资料

关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 渗氮与氮碳共渗零件的金相制备

渗氮与氮碳共渗零件的金相制备.pdf

渗氮与氮碳共渗零件的金相制备

袁爱问
2011-04-16 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《渗氮与氮碳共渗零件的金相制备pdf》,可适用于工程科技领域

应用说明渗氮与氮碳共渗零件的金相制备解决方案:渗氮零件金相制备的困难之处渗氮是指增加黑色金属表面的氮含量从而改善零件耐磨性能的热化学过程。而在氮碳共渗过程中不仅有氮而且有少量碳元素参与其中。最终形成渗氮层该渗氮层由复合层(“白层”)以及复合层下方的扩散区组成。使用气体或盐浴方式的渗氮与氮碳共渗工艺过程起源于世纪早期的德国与美国。在世纪年代离子或等离子渗氮的工艺过程已开始发展起来但直到年代才得到商业应用。这三种渗氮方式各有优点具体选择哪一种方式取决于渗氮零件的特定的应用场合。通过渗氮的工艺过程可以在碳与低合金钢以及铸铁上形成一层坚硬的耐磨层并可以显著提高其疲劳强度而且通过氧化渗氮表面还可以提高其抗腐蚀性能。与其它表面硬化方式相比渗氮与氮碳共渗工艺过程的主要优点在于其较低的加工温度(℃)理想温度为℃。通常可以在完全调质与回火的条件下对零件进行渗氮而不会对其主要性能造成负面影响。低温加工的另一个优点在于降低了产生变形的可能性。这样零件就可以通过机械加工得到最终的尺寸而无须花费昂贵的精加工过程如在渗氮后进行研磨与矫直等。渗氮与氮碳共渗工艺过程主要用于黑色金属零件如机械工程与汽车工业领域中应用的阀门、凸轮轴与活塞杆等。其它应用领域包括切割工具及大型成形模具等。此外渗氮工艺还应用于铸铁零件如泵与齿轮箱等。渗氮与氮碳共渗零件的金相学主要通过对层组织进行检验以应用于控制渗氮工艺过程。白层、扩散区、与孔隙区都经过检测与评定。而且还对旧零件进行失效分析以寻求故障原因是否受缺陷材料、表面磨损、或渗氮工艺等因素的影响。正确的镶嵌用碳化硅砂纸进行粗磨用金刚石进行粗磨在硬布上进行金刚石抛光层中碎屑与裂纹图:样品与镶嵌树脂间的收缩缝隙可导致X渗氮层的脱落以及磨蚀图:没有边角防护在高放大倍率时渗氮层不能聚焦渗氮钢用Beraha试剂进行彩色浸蚀边角修圆{{=µm:渗氮层的构造与成分在渗氮温度下氮扩散至钢表面内并与铁发生反应形成γ’氮化铁(FeN)含有高达wtN。随着氮的增加将形成ε相(FeN)它可吸收高达wtN。这两个氮化铁相εγ’将形成复合层亦称为“白层”因为当用硝酸酒精溶液对钢进行腐蚀时其可保持为白色。该复合层不含有任何金属而由铁与氮形成的非金属相(称之为“氮化陶瓷”)组成。在复合层的外部区域可以发现孔隙区(参见图)。氮化γ’与ε的百分比取决于钢的碳含量:碳含量愈高愈易形成ε相而碳含量愈低愈易形成γ’相。只有通过使用非常专业与繁复的腐蚀方法才能在光学显微镜下区分复合层中的ε与γ’氮化铁。也只有通过使用深度穿透辐射进行定量的结构X线分析才能得到正确的组织成分分析结果。相对而言复合层硬度较高而且随着形成合金元素氮化物含量的增加其硬度将愈来愈高而同时渗碳层深度则将愈来愈低。渗氮碳钢的表面硬度为HV而合金钢则为HV超过HV在复合层下方是扩散区内含氮的固溶体。而且它还含有稳定的金属氮化物这些氮化物由各种钢的合金元素形成如铝、钼、铬、与钨等。因低碳钢扩散区中的氮化物分布极其精微在对金相样品进行腐蚀后它们一般不能被发现。但是将样品加热至回火温度(℃下分钟)后固溶体中的氮将以γ’氮化物针状体的形式沉淀。可对这些氮化物针状体进行腐蚀于是就能发现到扩散区并能对其厚度进行测量(参见图)。对于合金钢可通过硝酸酒精溶液对扩散区进行腐蚀而在光学显微镜下则不能分辨氮化物(参见图)。白层与扩散区的厚度取决于多种因素其中最重要的因素包括时间、温度、与钢成分等。根据应用需求白层厚度在μm之间而扩散区厚度可高达mm。在渗氮之前应对零件进行彻底的清洁与除油污处理。任何来自研磨颗粒、油污或金属碎屑的表面污染都将导致渗氮层形成不均匀。这样就会在涂层中产生裂纹从而导致剥落与腐蚀(参见图与)。清洁后需对零件进行干燥与预热处理然后将其转移到实际的渗氮环境中。各种不同的渗氮工艺过程主要根据氮来源与能源供应的不同来加以区分。就投资经济性、加工时间、环境、安全性、与质量而言盐浴、气体渗氮、与等离子渗氮这几种方式各有其不同的优点。在许多情况下最终的渗氮与氮碳共渗表面的属性与生产过程无关。而需要的渗碳层深度由渗氮零件的应用条件决定且可通过渗氮温度与时间来进行调节。下面几段将简要说明各种不同的渗氮工艺过程以及渗氮零件的应用场合。孔隙区•=铁°=可能的氮位置ε氮化物γ’氮化物图:加热分钟℃并用的硝酸酒精溶液进行腐蚀后的氮碳共渗碳钢在扩散区显现氮化物针状体图:用的硝酸酒精溶液进行腐蚀后的氮碳共渗合金钢显现黑色的扩散区以及带有黑色氧化物涂层的白色复合区图与:钢及其表面上的杂质可导致氮化层中的失效区域并导致裂纹或腐蚀复合层渗氮工艺过程与渗氮零件的应用图:渗氮层成分详图放大盐浴氮碳共渗盐浴氮碳共渗工艺过程可在煤气或电热式坩锅炉中进行。坩埚的理想制作材料是钛。将零件预热至℃后悬挂或平放于装料台架中如粒状材料在不锈钢或铬镍铁合金筐中将其淹没于盐浴中。盐浴由碱性氰酸盐与碱性碳酸盐组成。通过与沉浸的零件表面发生氧化与热反应碱性氰酸盐在达到渗氮温度时将生成氮与碳并扩散至零件表面中。盐浴过程中纯粹的渗氮是不可能的因为微量的碳元素总会扩散至表面中。通常的工艺加工参数是℃、分钟。盐浴中活性的氮释放剂是碱性氰酸盐。通过氰酸盐离子的反应盐浴中碱性碳酸盐的量将会增加。通过添加有机聚合物盐浴中氰酸盐将再次得以补充达到最优含量。氮碳共渗后可在氧化盐浴(℃)中淬火以在表面生成黑色的铁氧化物(FeO)。它将填充复合层中的孔隙并起到附加的防腐蚀的保护作用。零件冷却至室温后可对其进行抛光然后根据应用情况可对其进行重新氧化。氮碳共渗的零件特别适用于抗磨损、擦伤、滑动摩擦、与腐蚀的场合。孔隙表面可保持滑润剂从而增加如凸轮轴等零件(参见图)的运动性能。盐浴氮碳共渗是一个快速便捷、灵活方便、经济高效的工艺过程。典型的应用领域包括汽车工业中应用的零部件如:活塞杆、曲轴、凸轮轴、阀门、齿轮等。此外氮碳共渗零件还应用于飞行器、船舶工业、机械工程等领域。气体渗氮与氮碳共渗通常在一个封闭、钟状的渗氮炉中进行渗氮炉可提供良好的气体循环。可通过调节氨的分解度对整个工艺过程加以控制。氨气在℃下与钢表面发生反应并分解从而产生初生态氮然后氮将扩散至钢表面内。因气体渗氮温度较低加工时间一般长达小时。通过添加含碳的气体亦可进行气体氮碳共渗(参见图与)。这样加工时间就可缩短。复合层与扩散区的构造与属性与盐浴渗氮形成的复合层与扩散区类似。但是在气体渗氮条件下可对复合层厚度进行更为精确的控制甚至完全抑制。这样就可使钢表面变得非常硬而不脆。该方法还可形成深度扩散区该扩散区对因振动与扭转而产生的机械应变具有有益的影响作用。带钻孔、凹槽、或空腔的零部件如烧结钢等比较适宜采用气体渗氮的工艺因为当气体在压力炉中循环时可以很容易地进入任何一处地方。对于不应氮化的掩蔽区域可以使用镀铜或其它特殊的抵抗性材料。典型的气体渗氮零件主要有:机械轴、可锻铁泵箱、门锁机械装置、水泵零部件、气体压缩机活塞等。等离子渗氮与氮碳共渗工艺过程在氮气氢气大气环境下进行温度为℃压力为约Pa。对于氮碳共渗需添加含有碳的气体如甲烷等。等离子在高电压环境下的真空室中产生其中工件充当阴极真空管充当阳极。因为氮气与氢气可各自独立送入真空室可对氮气相对于氢气的比例进行控制从而调节复合层的厚度与成分。这样不仅可对低碳钢而且可对奥氏体钢、粉末冶金黑色金属、难熔金属等进行等离子渗氮。图:盐浴氮碳共渗合金钢(MnCr)经过的硝酸酒精溶液进行腐蚀扩散区显现为黑色带孔隙区的复合层显现为白色。图:合金钢(CrMo)经过℃小时气体渗氮并用的硝酸酒精溶液进行腐蚀扩散区显现为黑色带孔隙区的复合层显现为白色。图:气体氮碳共渗碳钢℃小时等离子渗氮可形成非常精细的表面光洁度几乎无孔这样有助于对零件进行高精度抛光(参见图、)。因为具有这种低孔隙度的特性渗氮与氮碳共渗零件如凸轮轴与曲轴等可用于高性能电机。因等离子渗氮可形成许多各种各样的渗氮层其应用领域也就非常广泛。例如:诸如大型塑料挤压模与汽车车身冲压模的表面处理不锈钢工具深冲压、铸造、热锻与挤压模。此外还应用于其他专业领域如耐腐蚀发动机气门、高速钢切割工具及在机械工程领域的广泛应用。渗氮零件制备过程中的主要问题是:孔隙区的碎屑与复合层的裂纹(参见图、、)。在研磨的首道工序就极可能产生这些破坏因素。同时如镶嵌不当及用软布长时间抛光都会造成毛边。用x的放大率进行涂层评定时毛边可能导致厚度测量值不正确。渗氮钢制备的建议为了防止对渗氮层产生破坏建议在切割机上用水冷方式进行谨慎切割以达到金相制备的目的。为了进行切割需根据渗氮零件的硬度选择氧化铝切割轮。这通常是一个中等硬度或较软的切割轮。镶嵌:为了避免产生收缩缝隙建议采用热压缩镶嵌并使用纤维增强型树脂(IsoFast,DuroFast)。此外在镶嵌之前使用一个薄的纯铜箔(mm)包裹切割后的样品可提高边角防护性能。*渗氮钢金相制备的困难之处*将铜箔用剪刀锋刃拉伸犹如丝带并将其用速溶胶粘附在样品上缠绕包裹并再次粘附。过量的铜箔将会在表面上弯曲凸起用指尖或指甲将其紧紧下压。通过后续的初磨工艺可除去样品表面上的铜箔。同时铜的颜色可以增加涂层相对于镶嵌树脂的对比度这对于与氧化零件一起工作的情况效果更为显著(比较图、及图、)。图:在制备过程中产生的涂层裂纹图:合金钢(MnCrN)盐浴氮碳共渗无铜箔镶嵌。渗氮层剥落且不能从镶嵌树脂中鉴别薄氧化层。图:与图相同。用铜箔镶嵌黑色的氧化层清晰可见与铜箔的颜色形成鲜明对比。该层得到良好保护。图:高合金钢(XCrSiV)盐浴氮碳共渗氧化用的硝酸酒精溶液进行腐蚀扩散区显现为黑色且不能从镶嵌树脂中鉴别复合层。图:与图相同。用铜箔镶嵌复合层清晰可见与铜箔的颜色形成鲜明对比且可对其进行测量。图:合金钢(MnCrN)等离子氮碳共渗℃小时图:碳钢等离子氮碳共渗℃小时。渗氮层都没有孔隙区并具有非常精细的表面光洁度。步骤PGFG表面SiC砂纸#MDLargo悬浮液DiaProAllegroLargo压力(牛顿)时间按需要分钟研磨润滑液水转分钟步骤DPDPOP*表面MDDacMDNapMDChem悬浮液DiaProDacDiaProNapBOPAAorOPU压力(牛顿)时间分钟分钟分钟抛光转分钟*可选步骤作为DiaPro多晶体金刚石悬浮液P的替代方案可与蓝润滑液一起使用μmμmμm。表:渗氮钢的制备方法研磨与抛光:用碳化硅砂纸#和或#进行初磨。为了确保边角防护用金刚石在精磨盘(MDLargo)上进行精磨就显得非常重要。然后在人工合成丝布(MDDac)上进行金刚石抛光并用μm的金刚石或氧化硅进行短暂的终抛光。这种后续工艺可使渗氮钢试样实验结果较好并有可重现性。最终将得到六个镶嵌样品的制备数据样品直径mm并夹在夹具内。根据样品尺寸与涂层的类型可对抛光时间稍做修改。腐蚀:首先对渗氮涂层不进行腐蚀并检查以评定孔隙区以及孔的尺寸与形状。然后用的硝酸酒精溶液进行腐蚀将显现白色的复合层以及合金钢中的黑色的扩散区。优良的基底材料对于质量较好的渗氮零件而言非常重要。最初表面的裂纹、杂质、嵌条、变形将对渗氮层的质量产生决定性的影响。因此对于基底材料结构的评定至关重要。对于低碳钢可通过在℃分钟下加热样品并用的硝酸酒精溶液进行腐蚀的方法对扩散区进行鉴定(参见图)。结论:渗氮工艺是一个热化学过程通过该过程可增加黑色金属表面的氮含量从而提高零件的耐磨与耐腐蚀性能。可使用三种渗氮方法:盐浴氮碳共渗、气体或等离子渗氮与氮碳共渗。通过渗氮与氮碳共渗可形成非常坚硬的金属表面该表面由复合层与扩散区组成。渗氮层的金相学理论主要用于质量控制、渗氮工艺过程控制、以及失效分析等。制备渗氮层的主要困难在于:研磨与抛光过程中复合层产生的毛边、裂纹与碎屑。通过使用薄铜箔在热压缩镶嵌之前包裹样品可克服该问题。可使用碳化硅砂纸或在精磨盘上使用金刚石进行精抛光后者可以产生更好的边角防护效果。有必要进行足够长时间的、后续的金刚石抛光工艺过程以消除在制备过程中对复合层产生的破坏作用。铁素体球铸铁气体渗氮用x硝酸酒精溶液进行腐蚀StruersASPederstrupvejDKBallerup,DenmarkPhoneFaxstruersstruersdkwwwstruerscom作者:ElisabethWeidmann,AnneGuesnier,StruersAS,Copenhagen,丹麦致谢:感谢德国DurferritGmbH,Mannheim允许我们翻印其照片与图表。感谢UlrichBaudis博士的专业支持。特别感谢SabineRiesbeck女士为我们提供样品制备并无私提供第页中的彩色显微照片与图。感谢德国EltroGbmH,Baesweiler提供等离子样品材料。感谢德国CarlGommannKG,Remscheid提供气体渗氮样品材料。参考书目:Practicalnitridingandferriticmitrocarburizing,DavidPye,ASMInternational,ASMHandbook,Vol,MetallographyandMircostructure,ASM,WärmebehandlungvonEisenwerkstoffen,NitrierenundNitrocarburieren,DLiedtkeua,expertverlag,Renningen,TechnologiederSalzschmelzen,UlrichBaudisundMichaelKreutz,DieBibliothekderTechnik,Band,verlagmoderneindustrie,低碳钢中带孔隙区的白层XUSAandCANADAStruersIncDetroitRoadWestlake,OHPhoneFaxinfostruerscomSWEDENStruersASSmältvägenPOBoxSEBrommaTelefon()Telefax()infostruersdkFRANCEStruersSAS,rueduMarchéRollayFChampignysurMarneCedexTéléphoneTélécopiestruersstruersfrNEDERLANDBELGIEStruersGmbHNederlandElectrawegNLCBMaassluisTel()Fax()glenvanvugtstruersdeBELGIQUE(Wallonie)StruersSAS,rueduMarchéRollayFChampignysurMarneCedexTéléphoneTélécopiestruersstruersfrUNITEDKINGDOMStruersLtdUnitaMonkspathBusinessParkSolihullBNZPhoneFaxinfostruerscoukJAPANMarumotoStruersKKTakarardBuilding,HigashiUenochomeTaitoku,TokyoPhoneFaxstruersstruerscojpCHINA司特尔(上海)国际贸易有限公司中国上海市杨浦区大连路号海上海号楼室邮编:电话:()传真:()struerscnstruersdkDEUTSCHLANDStruersGmbHKarlArnoldStrasseBDWillichTelefon()Telefax()verkaufstruersstruersdeÖSTERREICHStruersGmbHZweigniederlassungÖsterreichGinzkeyplatzASalzburgTelefonTelefaxstefanlintschingerstruersdeSCHWEIZStruersGmbHZweigniederlassungSchweizWeissenbrunnenstrasseCHBirmensdorfTelefonTelefaxrudolfweberstruersdeCZECHREPUBLICStruersGmbHOrganizačnísložkaMiladyHorákovéCZPraha–BubenečTel:Fax:davidcernickystruersdePOLANDStruersSpzooOddziałwPolsceulLirowaPLWarszawaTelFaxgrzegorzuszynskistruersdeHUNGARYStruersGmbHMagyarországifióktelepPuskásTivadaruHBudaörsPhone()Fax()zoltankissstruersdeSINGAPOREStruersASEunosRoad,#NorthLobbySingaporePostCentreSingaporePhoneFaxstruerssgstruersdk

用户评价(0)

关闭

新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

抱歉,积分不足下载失败,请稍后再试!

提示

试读已结束,如需要继续阅读或者下载,敬请购买!

文档小程序码

使用微信“扫一扫”扫码寻找文档

1

打开微信

2

扫描小程序码

3

发布寻找信息

4

等待寻找结果

我知道了
评分:

/6

渗氮与氮碳共渗零件的金相制备

VIP

在线
客服

免费
邮箱

爱问共享资料服务号

扫描关注领取更多福利