· 作者:赵家萍页数:201出版日期:1992年09月第1版SS号:10952104
简介:高等学校教材:本
书
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内容包括:高能率加热和高能率热处理、感应热处理、激光与电子束热处理、电化学热处理等6章。
4.2 渗氮概述
渗氮(Nitrating)，亦称氮化，是指将钢铁
材料
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在氨气流中加热到500℃左右，使氮原于渗入钢铁的
表
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面，生成硬化层之后，不必再进行热处理，所以零件变形小，硬度高(可高达HV950—1200)，大幅度地提高了耐磨性、抗疲劳性、耐蚀性以及热稳定性。
常见的渗短工艺分类见表4–2–l。
一 渗氮的基本厕理
1 渗氮层相及其形成 图4–2–l是Fe—N相图。从图中可见，它可以生成多种相见(表4–2–2)。α相是氮在α–Fe中的固溶体，也称含氮铁素体。与含碳铁索体相比，不仅最大溶解温度不同，最大溶解度差别也很大(见图4–2–2)，氮的最大溶解度(590℃)可达0.1％，而碳的最大溶解度(723℃)仅0.022％。这样决定了渗氮在α区进行可得到含量较高的固溶体而不生成化合物。与Fe—C相图一样，再升高温度生成含氮奥氏体(γ)，在650℃时最大镕氮量可达2.8％，也大于1150℃左右的溶碳量。共析点含氮量为2.35％，也远高于Fe—C合金中的共析含碳量。当含氮量再增加时生成γ´相，γ´相是一种可变成分的间隙相，其代表化合物是Fe4N，含擞量为5.9％，且在5.7—6.1％范围内变化，氮原子是有序地占据着由Fe原子组成的面心立方晶格间隙。这种化合物当超过680℃后将溶入ε相中。在680℃以下有两个共析反应：650℃的ε→γ十γ´，590℃的γ→α十γ´，后者类似于Fe—C合金中的共析转变，生成物也与珠光体相似，称之为勃氏体。
ε相是以氮化物Fe2~3N为基的固溶体，其含氮量在4.55—11.0％之间变化，它是密排六方晶格。ζ—相也是密排六方晶格，是以Fe2N为基的固溶体，含氮在12.1—11.35％之间变化，但在500℃以上转变成ε相。从相图可知，在550℃渗氮，将可以得到以下渗层：ε→ε十γ´→a十γ´→a。冷至室温，在ε相中析出部分ζ相。
在NH3气氛中的渗氮过程见图4–2–3，主要有以下几个基本过程：氨分子向金属表面迁移→氨分子被吸附在金属表面→氨分子不断分解成氮原子和氢原子→活性原子复合成分子，可以从炉内排出→被吸附的氮原子溶于α–Fe中→氮原子向内扩散，在α–Fe中形成梯度→氮原子浓度超过α–Fe最大溶解度在表面形成氮化物→氮化物长大→氮从氮化物层向金属内部扩散。
在渗氮过程中还有氢的渗入，这将会导致渗氮层脆性增加，但在渗氮后的缓冷过程中大部分H可以逸出，不致带来严重后果。
渗氮时渗氮层中各相的形成次序应与状态图上按浓度排列的单相区顺序相一致。表4–2–3是不同温度渗氮后渗氮层各相形成的顺序和组织。渗氮层中各相的厚度与该相区在相图中的宽度、扩散系数和渗氮条件有关。如在等温渗氮的条件下，渗氮层αN，γN和ε相层相应地有最大的宽度，而γ´相仅在长时间渗氨后才能发现(见图4–2–4）。
表4–2–4是碳和氮在α–Fe中的扩散系数。在常温到300℃的低温范围内，氮的扩散系数要比碳大1.2—4.4倍。但在450℃以上正好相反，碳在α–Fe中的扩散系数大于氮。在950℃时，α–Fe和γ–Fe相比，氮在α–Fe中的扩散系数为γ–Fe中的50倍，碳在α–Fe中的扩散系数为γ–Fe中的40倍。总之，碳和氮在α–Fe中的扩散系数都比较大。实际上，渗氮过程中在α–Fe中主要是氮的扩散，这是由于碳在α–Fe中的固溶限要比氮小得多，很快就形成Fe3C，以Fe3C为核心生成Fe4N→Fe3N→ε(N)，一旦生成ε相后，碳可以溶入其内。在扩散层中，氮首先渗入晶界，再向晶内扩散，碳则被Fe3C形成时消耗。
2 碳和合金元素的作用 首先参与钢铁渗氮过程的是碳。在Fe–C–N三元系中，碳和氮生成的化合物有了较大的变化(见表4–2–5)。而且ε和γ´相中碳和氮的固溶量也不同于
六 渗氮二艺
1 渗氮工艺参数
渗氮工艺参数主要有渗氮温度、时间和氨分解率，它们的确定主要根据工件对渗氮层深度和表面硬度的要求。对于要求提高表面硬度和强度的渗氮，其渗氮温度一般为480一570℃，温度过高，会使合金氮化物聚集长大，表面硬度降低(见图4–2–12)。温度太低，渗氮速度太慢，致使渗氮层过浅(见图4–2–20)。渗氮时间则是对于—定的渗氮温度，由渗氮层深度来确定。渗氮层的增长速率是先快后慢，过长的渗氮时间对提高渗氮层深度效果不明显。如38CrMoAlA钢在510℃渗氮时，渗氮层0.4mm时，渗氮速率为0.01一0.015mm／h，而在0.4一0.7mm时，渗氮速率仅有0.005mm／h。对于为使工件表层获得0.015一0.06mm致密的、化学稳定性高的ε相层的抗蚀渗氮来说，温度更高些（550一650℃），时间可短些(3h左右)。
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