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    模具材料的滲碳和滲氮表面處理工藝

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    人氣:-發表時間:2023-03-20 10:17【

    滲碳與滲氮,一般是指鋼的表面化學熱處理。

    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間,一般按每小時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,但生產周期長,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雜的精密零件。

    涂層、鍍膜是物理的方法,而“滲”是化學變化,本質不同。

    一.滲碳鋼的化學成分特點

    (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。

    (a)碳素滲碳鋼

    用得最多的是15和20鋼,它們經滲碳和熱處理后,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。

    (b)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、拖拉機中的齒輪、活塞銷等。

    (c)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,如航空發動機的齒輪、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,則必須經過適當的熱處理才能實現。滲碳后的工件均需進行淬火和低溫回火。

    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,消除材料流線不合理狀態。正火工藝:用860-980℃空冷、179-217HBS。

    (2)滲碳后需進行機械加工的工件,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。滲氮過程在鋼的相變溫度以下(450-600℃)進行,因而變形小,體積稍有脹大。缺點是周期長(一般氣體滲氮工藝的滲氮時間長達數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基底,才能發揮滲氮的最大作用。

    總的來看,大部分滲氮零件是在有摩擦和復雜的動載荷條件下工作的,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度的主要合金元素。AlN很穩定,到約1000℃的溫度在鋼中不發生溶解。由于鋁的作用使鋼具有良好的滲氮性能,此鋼經過滲氮,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。滲氮工件在滲氮前,應進行調質處理,以獲得回火索氏體組織。調質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程中產生的內應力,以穩定零件尺寸。消除應力的溫度均應低于回火溫度,保溫時間比回火時間要長些,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。不能及時處理的零件,須涂油保護,以免生銹。吊裝入爐時,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)表面未經磨削處理的工件,不得進行氮化。

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