PDF《关于气体渗氮—氮碳共渗的若干问题讨论》

关于气体渗氮―氮碳共渗的若干问题讨论 孤鸿踏雪 济南汇九齿轮(集团)有限公司 摘要:本文对渗氮/氮化、氮碳共渗/软氮化等一些含混不清的基本概念、术语进行了考 证和辨析,讨论了渗氮―氮碳共渗件表面脆性的形成原因、表面高硬度的形成机理及白亮层 的相结构问题,阐述了氮势、氨分解率、炉压等因素对氮化质量的影响,提出了渗氮―氮碳 共渗件的质量检验标准问题.

关键词:渗氮/氮化 氮碳共渗/软氮化 长时氮化/短时氮化 脆性 渗氢 化合物层/ 白亮层 相结构 表面硬度 退氮

0 引言 在过去的中外文献上,碳氮共渗和氮碳共渗是不加区分而混为一谈的,而在过去的一些 翻译文献中又有长时氮化(~500℃,>

10h)和短时氮化(~570℃,Cr,V>

Al,此外,碳显著地降低氮的扩散速度. 3.1 合金结构钢工件表面高硬度的形成 据文献资料介绍:渗氮层的硬度一般随钢中合金元素种类及含量不同而不同.实验数据 表明:凡能形成最稳定氮化物并极度弥散分布的元素,也将使渗氮层获得最高的硬度,如铝、 铬等.合金元素形成的氮化物硬度 Cr2N:1570HV,CrN:1093HV,Mo2N:630HV,AlN:1225~ 1230HV,V3N:1900HV,VN:1520HV.相反,不形成氮化物的元素,如镍、硅等,对氮化层的 硬度,几乎没有什么影响.所以,三段渗氮法中三个阶段时间可以基本等长,第二段所用时 间不宜过长,否则将有耗尽表层内强氮化物形成元素的可能,从而使得在第三段中无法再形 成非常细微和弥散分布的氮化物,导致不能获得高硬度表面层的危险. 合金钢渗氮时,γ′相和ε相中的一部分铁原子被合金元素置换,形成含有铁和合金元 素的氮化物或氮碳化合物(Fe,Me)4N、 (Fe,Me)2~3N、 (Fe,Me)2~3(N,C)等,有些合金 元素如铝、硅、钛在γ′相中固溶度较大,并且扩大γ′相区,合金元素的ε相具有高的硬 度和耐磨性. 由此看来,合金结构钢氮化后的表面硬度应与这些合金氮化物有密切关系,这也同时说 明:45#之类的碳素结构钢进行同样的氮化(或软氮化)工艺处理,其表面难以达到合金结构 钢硬度. 渗氮层的高硬度,不仅因为合金氮化物本身的硬度高,而且与合金氮化物的状态有关. 有人认为氮化物的晶格常数比基体α相大得多.因此,当它与母相保持共格联系时,会使母 相晶格产生很大的弹性畸变,阻碍位错运动,提高硬度.显然,弥散强化的效果与合金元素 的种类、氮化物与母相的共格程度及氮化物的弥散度有关.不同合金元素的硬化效果是不同 的.渗氮温度与生成氮化物的结构都影响渗层硬度.渗氮温度过高,氮化物与母相脱离共格 并聚集球化,硬度下降. 还有人用 GP 区的形成来解释渗氮强化的机理.认为在低于共析温度渗氮时,最大显微硬 度区域在扩散层,这是因为在过饱和的α相中发生合金元素原子与氮原子偏聚,形成类似于 铝合金具有的那种 GP 区. 3.2 碳素结构钢渗氮―氮碳共渗后的表面硬度 其实,前述的ε和γ′相的硬度是纯铁与氮的化合物的硬度值.然而,这两种化合物在 氮碳共渗(软氮化)时是可以兼溶 碳 的,相关资料显示: 500~600℃时,碳在γ′相中 最大的固溶度仅为 0.2%;

而在ε相中最大固溶度则随温度不同而有所变化,由450℃的5% 到700℃的3%. (这显然远远高于该温度下碳在钢基体中的固溶度,可参阅 Fe-N-C 三元平衡 图) ,有人用ε(C) 、γ′(C)来表示.由于碳的溶入,可在一定限度内提高其硬度. 所以,对于碳素钢,同一工艺条件下渗氮时,形成的白亮层是随着钢的含碳量增加而有 所提高.氮碳共渗正是利用这一特性在渗氮气氛中添加一些弱的渗碳剂,使白亮层中的'