金属加工工艺流程

来源:金属热处理标准应用手册作者:崔振铎

    碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。习惯上碳氮共渗又称为氰化。目前,以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗(即气体软氮化)应用较为广泛。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度、耐磨性和疲劳强度;低温气体碳氮共渗以渗氮为主,其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性:

    中温气体碳氮共渗与渗碳相比,在工艺操作上具有下列优点:由于共渗温度较低(700- 880℃).共渗后可直接淬火,变形小;若处理温度相同,共渗速度将高于渗碳速度。气体碳氮共渗容易实现机械化自动化。一般气体渗碳设备稍加改善和添置供氮系统,便可用于共渗处理。因此,尽管碳氮共渗在工业上的应用比渗碳晚得多,但其发展却十分迅速。

    目前,中温气体碳氮共渗所使用的共渗剂有以下几种:

    (1)煤油+氨气。

    (2)煤气+氨气。

    (3)甲醇+丙烷+氨。

    (4)三乙醇胺或三乙醇胺+20%尿素。

    在碳氮共渗时,除了单独进行前述几种基本的气相反应对钢起渗碳、氮化作用外,还同时进行由NH3与CO、CH4相互作用的以下气相反应对钢起碳氮共渗作用。

    NH3+CO→HCN+ H2O

    NH3+CH4→HCN+3H2

    2HCN→H2+2[C]+2[N]

    中温气体碳氮共渗温度对渗层的碳、氮含量和厚度的影响很大。温度愈高,渗层的碳量愈多而氮量愈少,渗层的厚度愈大,而且碳的渗入厚度比氮为大。降低共渗温度有利于减小零件变形,但温度低,渗速慢,渗层薄,在渗层表面还易于形成脆性的高氮化合物,心部组织淬火后硬度较低,使零件性能变差。

    生产实践中采用的共渗温度一般均在820-880℃范围内,如碳钢及低合金钢大多在840 - 860℃共渗,使晶粒不致长大,变形较小,渗速中等,并可直接淬火。对那些尺寸小、形状复杂、变形要求很小的耐磨零件,如缝纫机及仪表零件,则往往采取较低温度的中温碳氮共渗工艺,常用温度为700 -780℃。

碳氮共渗时间取决于渗层厚度、共渗温度以及所用的共渗介质。10、20、20Cr、20CrMnTi等结构钢,采用850℃碳氮共渗时,共渗时间与渗层厚度的关系见表5-20。

表5-20 850℃碳氮共渗时间与渗层厚度的关系(介质为70%-80%渗碳气+20%~30%氨气)

 

    碳氮共渗层中的碳氮含量,应根据零件的工作条件控制在一定的范围内。例如,为保证40Cr、20CrMnTi钢制齿轮的综合强度,渗层表面含碳量应在0.65%-0.90%范围,而表面碳、氮总量在1.0% -1.25%范围;又如25CrMnMo钢制齿轮,渗层含碳量应在0.75%-1.20%范围,而碳、氮总量在1.30%-1.60%范围。

    中温气体碳氮共渗的零件经淬火+低温回火热处理后,共渗层表面组织由细片状回火马氏体、适量的粒状碳氮化合物以及少量残余奥氏体所组成。

    在渗层表面含碳量相同的情况下,共渗层的耐磨性能高于渗碳层,而且共渗层的疲劳强度往往亦比渗碳层高。例如载重汽车变速箱齿轮经碳氮共渗处理后,有可能使其接触疲劳性能得到提高,其效果不比渗碳差。

    综上所述,中温气体碳氮共渗与渗碳比较有很多优点,不仅加热温度低,零件变形小,生产周期短,而且渗层具有较高耐磨性、疲劳强度和抗压强度,并兼有一定的抗腐蚀能力。因此,国内经常采用中温气体碳氮共渗的工艺,有时甚至代替渗碳处理,代替有毒的液体氰化:但中温气体碳氮共渗与渗碳相比,也有不足之处,例如,中温气体碳氮共渗处理后的工件表层经常出现孔洞和黑色组织,中温气体碳氮共渗的气氛较难控制,容易造成工件氢脆等,尚待进一步研究解决。

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