软氮化处理的优点与应用

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，在世界范围内，软氮化已得到广泛的应用。对外层成分的分析表明，其碳、氮含量分别为1.0%～3.8%和8.15%～8.25%。碳钢及低合金钢软氮化后的耐磨性高于渗碳处理。图5-3915钢经不同处理后耐磨性的比较2)软氮化可大大提高零件的疲劳强度其提高的幅度与气体渗氮相当。例如，15钢软氮化后疲劳强度可提高80%。其主要原因是氮过饱和地固溶于扩散层中，引起较大残余压应力的结果，因此软氮化后必须快冷。

如前所述，软氮化的实质是在铁素体状态下的氮碳共渗，可分为液体氮碳共渗和气体氮碳共渗两类。早期的氮碳共渗是在液体渗氮和低温液体碳氮共渗(氰化)的基础上发展起来的，所用盐浴是剧毒的氰盐。为了提高盐浴活性而通入空气或氧气，即产生氧化过程，以加大氮和碳原子的活性。由于氰盐会引起严重公害，且会发展为加尿素为主要成分的氮碳共渗，虽然不用剧毒氰盐，但盐浴中仍有氰酸根，且使用过程中盐浴成分不稳定，因而盐浴氮碳共渗工艺的应用受到限制。

20世纪70年代以后，发展了气体氮碳共渗。美国Lpson公司发展了一种使用50%NH3＋50%吸热式气氛的气体软氮化方法(商名Nitemper)，随后Midland-Ross公司发展了一种使用20%NH3＋80%放热式气氛的气体软氮化方法(商名Triniding)，日本发展了一种利用尿素热分解气的气体软氮化法(商名Unison)。

目前，在世界范围内，软氮化已得到广泛的应用。在国内，软氮化工艺主要是采用尿素热分解法和含碳、氮有机液体的滴入法。

软氮化的温度略高于渗氮温度(常为570℃)。氮碳共渗层的组织也是由化合物层和扩散层组成，氮碳共渗件的加工路线也与渗氮件类似。与气体渗氮相比较，氮碳共渗具有工艺时间大幅缩短、成本低、渗层韧性较好等特点。

1.软氮化原理与工艺

软氮化温度一般为(570±10)℃，时间为1～4h，介质则有气体介质和液体介质。

1)气体软氮化

所用介质有氨气与吸热式气氛的混合气体、尿素热分解气体等。

使用氨气与吸热式气氛的混合气体进行气体软氮化时，氨气分解形成活性氮原子，吸热式气氛分解可提供活性碳原子。两种气体的比例为50∶50。吸热式气氛的露点为0℃时，能获得最佳的渗层质量。这种方法易实现机械化、自动化，产品质量稳定，但设备相对复杂，适于批量生产。

尿素热分解气体是将尿素的白色晶体粉末直接送入软氮化炉中，在500℃以上尿素发生分解得到活性氮、碳原子，即

(NH2)2COCO＋2[N]＋2H2

2CO[C]＋CO2

此外，还有三乙醇胺＋乙醇混合液滴注、甲酰胺滴注并通氨气等。

2)液体软氮化

例如，使用尿素∶碳酸钠∶氯化钾＝3∶2∶2(质量)的盐浴，通过下述反应得到活性氮原子和碳原子。

2(NH2)2CO＋Na2CO32NaCNO＋2NH3＋CO2＋H2O

2NaCNO＋O2Na2CO3＋CO＋2[N]

2CO[C]＋CO2

2.软氮化层的组织和性能

软氮化的渗层可以分为两层：外层是化合物层，由ε-Fe2-3(C，N)和γ′-Fe4N组成，厚度为2～25μm；内层是扩散层，慢冷时由渗前的基体组织和高度弥散的氮化物组成，快冷时氮仍溶于基体中，无氮化物出现。对外层成分的分析表明，其碳、氮含量(质量分数)分别为1.0%～3.8%和8.15%～8.25%。40Cr钢调质后软氮化的渗层组织，外层白亮氮化合物厚约为20μm；以下为扩散层，为含氮索氏体，组织较均匀，并有碳、氮原子沿晶界高速扩散的迹象。正是由于具有这样的组织特点，故使软氮化表现出以下特性。

1)软氮化可以大大提高零件的耐磨性和抗咬合、抗擦伤性能

图5-39为15钢经不同处理后耐磨性的比较。碳钢及低合金钢软氮化后的耐磨性高于渗碳处理。软氮化后的良好耐磨性来源于其表面化合物层的组织，该组织不仅硬度高、摩擦系数小、耐磨性好，而且因为ε相中含碳而使脆性降低，故渗层具有较好的韧性。尤其是这种外层组织基本上不随钢中合金元素含量而变，因此用普通碳素钢代替合金钢可得到相同效果。

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图5-39　15钢经不同处理后耐磨性的比较

2)软氮化可大大提高零件的疲劳强度

其提高的幅度与气体渗氮相当。例如，15钢软氮化后疲劳强度可提高80%。其主要原因是氮过饱和地固溶于扩散层中，引起较大残余压应力的结果，因此软氮化后必须快冷。

3)软氮化可提高钢的抗大气和海水腐蚀的能力

这是以ε相为主的化合物层的贡献。

由于上述特点，软氮化广泛应用于碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、不锈钢、铸铁、粉末冶金材料等，但软氮化渗层较薄，不宜在重载条件下工作。

软氮化处理的优点与应用

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