PDF《应用说明》

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20世纪早期的 德国与美国.在20世纪30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70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(500-600℃), 理想温度为580℃.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1: 样品与镶嵌树脂间的收缩缝隙可导致 500X 渗氮层的脱落,以及磨蚀 图2: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 { { =18 ?m 1000:1 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( Fe4N),含有高达6 wt% N.随着氮 的增加,将形成ε相(Fe2-3N),它可 吸收高达11 wt% N.这两个氮化铁相, ε+γ'

,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3). 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 300-400HV,而合金钢则为700 HV-超过1000 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(200-400℃下15-30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4).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5). 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0-20μm之间,而扩散区厚度可高 达0.8mm. 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 6与7).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4: 加热45分钟/300℃,并用1%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5:用1%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6与7: 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3: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350℃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 580℃、90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(380- 420℃)中淬火,以在表面生成黑色的 铁氧化物(Fe3O4).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8)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500-520℃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40-80小时.通 过添加含碳的气体,亦可进行气体氮 碳共渗(参见图9与10).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400- 600℃,压力为约50-500Pa.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8:盐浴氮碳共渗合金钢(16MnCr5),经过1%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9:合金钢(42CrMo4),经过510℃/36小时气体 渗氮,并用1%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10:气体氮碳共渗碳钢,580℃/1.5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

11、12).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

1、

2、13).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1000x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(0.05mm) 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

14、15及图

16、17). 图13:在制备过程中产生的涂层裂纹 图14:合金钢(16MnCr5N),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15:与图14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16:高合金钢(X45CrSi9V),盐浴氮碳共渗, 氧化,用1%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17:与图16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11:合金钢(16MnCr5N),等离子氮碳共渗, 570℃/6小时 图12:碳钢,等离子氮碳共渗,570℃/6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 PG FG 表面 SiC砂纸 220# MD-Largo 悬浮液 DiaPro Allegro/Largo 压力(牛顿)

150

150 时间 按需要 5分钟 研磨 润滑液 水 转/分钟

300

150 步骤 DP

1 DP

2 OP* 表面 MD-Dac MD-Nap MD-Chem 悬浮液 DiaPro Dac DiaPro Nap B OP-AA or OP-U 压力(牛顿)

180

150

90 时间 6分钟 1分钟 1分钟 抛光 转/分钟

150

150

150 *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9μm,3μm,1μm. 表1: 渗氮钢的制备方法 研磨与抛光:用碳化硅砂纸180#和/或200#进行初磨.为了确保边角防护, 用金刚石在精磨盘(MD-Largo)上进 行精磨就显得非常重要.然后,在人 工合成丝布(MD-Dac)上进行金刚石 抛光,并用1μm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30mm,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1-3%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300℃/45分钟 下加热样品,并用1%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4). 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........