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(yīng)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(dá)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(qiáng)度和韌性。
2.滲氮
應(yīng)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(zhǎng)，成本高，氮化層薄而脆，不宜承受集中的重載荷。主要用來處理重要和復(fù)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)
?。?）滲碳鋼的含碳量
一般都在0.15-0.25％范圍內(nèi)。對(duì)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(qiáng)度。
?。?）合金元素在滲碳鋼中的作用
提高淬透性、細(xì)化晶粒、強(qiáng)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。
?。?）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(dá)56-62HRC。但由于淬透性較低，只適用于心部強(qiáng)度要求不高、受力小、承受磨損的小型零件，如軸套、鏈條等。
?。?）低合金滲碳鋼
如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等，其滲透性和心部強(qiáng)度均較碳素滲碳鋼高，可用于制造一般機(jī)械中的較為重要的滲碳件，如汽車、拖拉機(jī)中的齒輪、活塞銷等。
（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(qiáng)度及韌性，主要用以制造截面較大、承載較重、受力復(fù)雜的零件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)看作是一種表面與中心含量相差懸殊的復(fù)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(qiáng)化，則必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍軐?shí)現(xiàn)。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(xì)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(xiàng)
（1）滲碳前的預(yù)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(xì)，消除材料流線不合理狀態(tài)。正火工藝：用860-980℃空冷、179-217HBS。
（2）滲碳后需進(jìn)行機(jī)械加工的工件，硬度不應(yīng)高于30HRC。
?。?）對(duì)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。
?。?）不得用鍍鋅的方法防滲碳。
四.防止?jié)B碳方法
?。?）加大余量法。在不需要滲碳的部位預(yù)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，先車去滲碳層再轉(zhuǎn)淬火。
?。?）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。
?。?）涂料法。在不需滲碳的部位涂上防滲涂料。
?。?）工裝法。自制專用工裝，把不需滲碳的部位封閉密封。
五.鋼的滲氮（強(qiáng)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(qiáng)度、較高抗咬合、較高抗蝕性。滲氮過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(zhǎng)（一般氣體滲氮工藝的滲氮時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)10h到100h）、成本高、滲層?。ㄒ话銥?.5mm左右）而脆，不能承受太大的接觸應(yīng)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意效果的鋼才稱為滲氮用鋼。凡含有Cr、Mo、V、Ti、Al等元素的低、中碳合金結(jié)構(gòu)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(duì)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(qiáng)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(dá)0.3-0.65mm）。必須有強(qiáng)而韌的心部組織作為滲氮層的堅(jiān)實(shí)基底，才能發(fā)揮滲氮的最大作用。
總的來看，大部分滲氮零件是在有摩擦和復(fù)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(wěn)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(qiáng)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(qiáng)而韌的心部組織，必須向鋼中加入一方面能與氮形成穩(wěn)定氮化物，另外還能強(qiáng)化心部的合金元素，如Al、Ti、V、W、Mo、Cr等，均能和氮形成穩(wěn)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(qiáng)度和韌性。
目前，專門用于滲氮的鋼種是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(qiáng)度的主要合金元素。AlN很穩(wěn)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)過滲氮，表面硬度高達(dá)1100-1200HV（相當(dāng)67-72HRC）。38CrMoAlA鋼脫碳傾向嚴(yán)重，各道工序必須留有較大的加工余量。
對(duì)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(duì)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(xiàng)
?。?）滲氮前的預(yù)備熱處理調(diào)質(zhì)。滲氮工件在滲氮前，應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以獲得回火索氏體組織。調(diào)質(zhì)處理回火溫度一般高于滲氮溫度。
?。?）滲氮前的預(yù)備熱處理去應(yīng)力處理。滲氮前，應(yīng)盡量消除機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，以穩(wěn)定零件尺寸。消除應(yīng)力的溫度均應(yīng)低于回火溫度，保溫時(shí)間比回火時(shí)間要長(zhǎng)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。
?。?）滲氮零件的表面粗糙度Ra應(yīng)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(hù)，以免生銹。吊裝入爐時(shí)，再用清潔汽油擦凈，以保證清潔度。
?。?）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(hù)，不宜用留加工余量的方法。
?。?）表面未經(jīng)磨削處理的工件，不得進(jìn)行氮化。
