模具材料的滲碳和滲氮表面處理工藝
/ 2021/7/3 12:11:51
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1.滲碳
滲碳必須用低碳鋼或低碳合金鋼，可分為固體、液體、氣體滲碳三種。應用較廣泛的氣體滲碳，加熱溫度900-950℃。滲碳深度主要取決于保溫時(shí)間，一般按每小時(shí)0.2-0.25毫米估算。表面含碳量可達百分之0.85-1.05。滲碳后必須熱處理，常用淬火后低溫回火，得到表面高硬度、心部高韌性的耐磨抗沖擊零件。
鋼的滲碳，就是將低碳鋼在富碳的介質(zhì)中加熱到高溫（一般為900-950℃），使活性碳原子滲入鋼的表面，以獲得高碳的滲層組織。隨后經(jīng)淬火和低溫回火，使表面具有高硬度、耐磨性及疲勞抗力，而心部仍保持足夠的強度和韌性。
2.滲氮
應用最廣泛的氣體滲氮，加熱溫度500-600攝氏度。氮原子與鋼的表面中的鋁、鉻、鉬形成氮化物，一般深度為0.1-0.6毫米，氮化層不用淬火即可得到很高的硬度，這種性能可維持到600-650攝氏度。工件變形小，可防止水蒸氣、堿性溶液的腐蝕，但生產(chǎn)周期長(cháng)，成本高，氮化層薄而脆，不宜承受集中的重載荷。主要用來(lái)處理重要和復雜的精密零件。
涂層、鍍膜是物理的方法，而“滲”是化學(xué)變化，本質(zhì)不同。
一.滲碳鋼的化學(xué)成分特點(diǎn)
（1）滲碳鋼的含碳量
一般都在0.15-0.25％范圍內。對于重載的滲碳體，可以提高到0.25-0.30％，以使心部在淬火及低溫回火后仍具有足夠的塑性和韌性。但含碳量不能太低，否則，就不能保證一定的強度。
（2）合金元素在滲碳鋼中的作用
提高淬透性、細化晶粒、強化固溶體，影響滲層中的含碳量、滲層厚度及組織。在滲碳鋼中通常加入的合金元素有錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、硼等。
常用滲碳鋼可以分碳素滲碳鋼和合金滲碳鋼兩大類(lèi)。
（1）碳素滲碳鋼
用得最多的是15和20鋼，它們經(jīng)滲碳和熱處理后，表面硬度可達56-62HRC。但由于淬透性較低，只適用于心部強度要求不高、受力小、承受磨損的小型零件，如軸套、鏈條等。
（2）低合金滲碳鋼
如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等，其滲透性和心部強度均較碳素滲碳鋼高，可用于制造一般機械中的較為重要的滲碳件，如汽車(chē)、拖拉機中的齒輪、活塞銷(xiāo)等。
（3）中合金滲碳鋼
如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等，由于具有很高的淬透性和較高的強度及韌性，主要用以制造截面較大、承載較重、受力復雜的零件，如航空發(fā)動(dòng)機的齒輪、軸等。
固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳，滲碳溫度為900-950℃，表面層（碳）為0.8-1.2％，層深為0.5-2.0mm。
二.滲碳后的熱處理
滲碳工件實(shí)際上應看作是一種表面與中心含量相差懸殊的復合材料。滲碳只能改變工件表面的含碳量，而其表面以及心部的最終強化，則必須經(jīng)過(guò)適當的熱處理才能實(shí)現。滲碳后的工件均需進(jìn)行淬火和低溫回火。
淬火的目的是，使在表面形成高碳馬氏體或高碳馬氏體和細粒狀碳化物組織。低溫回火溫度為150-200℃。
三.滲碳零件注意事項
（1）滲碳前的預處理正火，目的是改善材料原始組織、減少帶狀、消除魏氏組織，使表面粗糙度變細，消除材料流線(xiàn)不合理狀態(tài)。正火工藝：用860-980℃空冷、179-217HBS。
（2）滲碳后需進(jìn)行機械加工的工件，硬度不應高于30HRC。
（3）對于有薄壁溝槽的滲碳淬火零件，薄壁溝槽處不能先于滲碳之前加工。
（4）不得用鍍鋅的方法防滲碳。
四.防止滲碳方法
（1）加大余量法。在不需要滲碳的部位預先留出一定的加工余量，其留量比滲碳層深度大一倍以上。滲碳后，先車(chē)去滲碳層再轉淬火。
（2）鍍銅法。在不需滲碳的部位電鍍一層0.02-0.04mm的銅，銅層要致密，不得暴露原金屬。
（3）涂料法。在不需滲碳的部位涂上防滲涂料。
（4）工裝法。自制專(zhuān)用工裝，把不需滲碳的部位封閉密封。
五.鋼的滲氮（強化滲氮和抗蝕滲氮）
使氮原子滲入鋼的表面，形成富氮硬化層的一種化學(xué)熱處理工藝。
與滲碳相比，滲氮處理后的零件具有高硬度和耐磨性、高疲勞強度、較高抗咬合、較高抗蝕性。滲氮過(guò)程在鋼的相變溫度以下（450-600℃）進(jìn)行，因而變形小，體積稍有脹大。缺點(diǎn)是周期長(cháng)（一般氣體滲氮工藝的滲氮時(shí)間長(cháng)達數10h到100h）、成本高、滲層薄（一般為0.5mm左右）而脆，不能承受太大的接觸應力和沖擊載荷。
六.滲氮用鋼
從理論上講，所有的鋼鐵材料都能滲氮。但我們只將那些適用可滲氮處理并能獲得滿(mǎn)意效果的鋼才稱(chēng)為滲氮用鋼。凡含有Cr、Mo、V、Ti、Al等元素的低、中碳合金結構鋼、工具鋼、不銹鋼（不銹鋼滲氮前需去除工件表面的鈍化膜，對不銹鋼、耐熱鋼可直接用離子氮化方法處理）、球墨鑄鐵等均可進(jìn)行滲氮。
滲氮后的零件雖然具有高硬度、高耐磨性和高的疲勞強度，但只是表面很薄的一層（鉻鉬鋁鋼于500-540℃，經(jīng)35-65h滲氮層深只達0.3-0.65mm）。必須有強而韌的心部組織作為滲氮層的堅實(shí)基底，才能發(fā)揮滲氮的最大作用。
總的來(lái)看，大部分滲氮零件是在有摩擦和復雜的動(dòng)載荷條件下工作的，不論表面和心部的性能都要求很高。
如果用碳鋼進(jìn)行滲氮，形成的Fe4N和Fe2N較不穩定。溫度稍高，就容易聚集粗化，表面不可能得到更高的硬度，并且，其心部也不能具有更高的強度和韌性。為了在表面得到高硬度和高耐磨性，同時(shí)獲得強而韌的心部組織，必須向鋼中加入一方面能與氮形成穩定氮化物，另外還能強化心部的合金元素，如Al、Ti、V、W、Mo、Cr等，均能和氮形成穩定的化合物，其中，Cr、W、Mo、V還可以改善鋼的組織，提高鋼的強度和韌性。
目前，專(zhuān)門(mén)用于滲氮的鋼種是38CrMoAlA，其中，鋁與氮有極大的親和力，是形成氮化物提高滲氮層強度的主要合金元素。AlN很穩定，到約1000℃的溫度在鋼中不發(fā)生溶解。由于鋁的作用使鋼具有良好的滲氮性能，此鋼經(jīng)過(guò)滲氮，表面硬度高達1100-1200HV（相當67-72HRC）。38CrMoAlA鋼脫碳傾向嚴重，各道工序必須留有較大的加工余量。
對高硬度、高耐磨性要求的氮化件，不宜選用碳鋼和一般合金鋼。對以提高抗蝕性能為主的氮化件，可選用碳鋼和一般合金鋼。
七.滲氮零件注意事項
（1）滲氮前的預備熱處理調質(zhì)。滲氮工件在滲氮前，應進(jìn)行調質(zhì)處理，以獲得回火索氏體組織。調質(zhì)處理回火溫度一般高于滲氮溫度。
（2）滲氮前的預備熱處理去應力處理。滲氮前，應盡量消除機械加工過(guò)程中產(chǎn)生的內應力，以穩定零件尺寸。消除應力的溫度均應低于回火溫度，保溫時(shí)間比回火時(shí)間要長(cháng)些，再緩慢冷卻到室溫。斷面尺寸較大的零件不宜用正火。工模具鋼必須采用淬火回火，不得用退火。
（3）滲氮零件的表面粗糙度Ra應小于1.6um，表面不得有拉毛、碰傷及生銹等缺陷。不能及時(shí)處理的零件，須涂油保護，以免生銹。吊裝入爐時(shí)，再用清潔汽油擦凈，以保證清潔度。
（4）含有尖角和銳邊的工件，不宜進(jìn)行氮化處理。
（5）局部不氮化部位的保護，不宜用留加工余量的方法。
（6）表面未經(jīng)磨削處理的工件，不得進(jìn)行氮化。
