锻件表面淬火、渗碳、渗氮等热处理应用

 新闻资讯     |      2021-08-28

       锻件表面淬火、渗碳、渗氮等热处理是为了提高、强化锻件表面的质量,能够具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限。锻件表面热处理是为改变工件表面的组织和性能,仅对其表面进行热处理的工艺。通常使表面具有高硬度和耐磨性,而心部仍保持足够的塑性和韧性。生产上先选用一定成分的钢,保证心部力学性能指标满足要求,然后应用表面热处理方法强化表面层,使之达到性能要求。许多机械零件在扭转、弯曲等交变负荷、冲击负荷作用下工作,其表面层承受着比心部高的应力;在摩擦的场合,表面层还不断被磨损。表面热处理分为表面淬火和表面化学热处理两大类。

1.锻件表面淬火

       锻件的表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度,然后迅速冷却,仅使表面层获得淬火组织,而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。常用的有感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。表面淬火一般为中碳钢和中碳合金钢锻件。

高温锻件淬火炉

       感应加热淬火是利用电磁感应原理,通过交变电流在工件表面感应出巨大涡流,使锻件表面迅速被加热,而心部几乎不受热。

       感应加热表面淬火的特点:淬火后马氏体晶粒细化,表层硬度比普通淬火高2-3HRC。表层存在很大的残余压应力,有助于提高疲劳强度;不易产生变形和氧化脱碳;易于实现机械化与自动化,适合于批量生产。感应加热淬火后,为了减小淬火应力和降低脆性,需进行170-200℃低温回火。

       火焰加热表面淬火是利用氧乙炔气燃烧的火焰(温度高达3100-3200℃)将锻件表面快速加热到相变温度以上,随后淬火冷却的工艺方法。

       淬火后立即进行低温回火,或利用锻件内部余热自身回火。这种方法可获得2?6 mm的淬透深度,设备简单,成本低,适于单件或小批量生产。

2.钢的化学热处理

       锻件的化学热处理是将锻件置于适当的活性介质中加热、保温,使一种或几种元素渗入到钢的表层,以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理的主要特点是:表层不仅有组织的变化,而且有成分的变化,故性能改变的幅度大。其主要作用是强化和保护金属表面。常用的化学热处理方法是渗碳、渗氮和碳氮共渗。

(1)锻件渗碳处理

将锻件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗人表层的化学热处理工艺。目的是使低碳(Wc=0.10%-0.25%)钢件表面得到高碳(Wc=1.0%-1.2%),经适当的热处理炉(淬火+低温回火)后获得表面高硬度、高耐磨性,而心部仍保持一定强度及较高的塑性、韧性。适用于同时受磨损和较大冲击载荷的低碳、低碳合金钢锻件,如齿轮、活塞销、套筒等。

井式渗碳炉

       目前广泛应用的是气体渗碳法。即将锻件置于密闭的加热炉中,可直接通入渗碳气氛,如煤气、液化石油气;也可滴入有机物,如煤油、甲醇等,在高温下裂解为含碳气氛。含碳气氛在钢表面发生气相反应,生成活性碳原子,被钢表面吸收而溶入奥氏体中,并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。

       通常渗碳温度为900-950℃,渗人速度为每小时0.2-0.3mm。控制保温时间,即可控制所需的渗层深度。

气体渗碳的优点是生产率高,劳动条件好,渗碳过程容易控制,容易实现机械化、自动化, 适用于大批量生产。

(2)锻件的渗氮

       钢的渗氮俗称氮化,一般在Ac1温度以下使活性氮原子渗入锻件件表面,在锻件表面获得一定深度的富氮硬化层的热处理工艺。目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。适用于交变载荷下工作并要求耐磨的重要结构零件,如高速传动的精密齿轮、高速柴油机曲轴、高精度机床主轴及在高温下工作的耐热、耐蚀、耐磨零件如齿轮套、阀门、排气阀等。

井式渗氮炉

       渗氮的特点:渗氮形成的氮化物硬度高,氮化物硬度可达950℃,1 200HV,相当于65-72HRC;耐磨性好;热硬性好,在600-650℃有较高热硬性,氮化后无须淬火。氮化温度低(500-600℃),氮化过程中无组织转变,变形小,组织稳定。形成的氮化层有少量膨胀,表面形成压应力,可提高疲劳强度。氮化物连续致密,可提高耐蚀性。

       常用的渗氮方法有气体渗氮、离子渗氮、氦碳共渗(软氮化)等,生产中应用较多的是气体渗氮。

1)气体氮化。在气体介质中进行渗氮的工艺。氮化用钢需选用含有与氮亲和力大的Al、Cr、Mo、Ti、V等合金元素的合金钢,如38CrMoAlA、350A1A、38CrMo等。氮化前需调质预处理,目的是改善机加工性能并获得均匀的回火索氏体组织,保证心部具有较高的强度和韧性。

       气体渗氮是在渗氮炉内通入氨气,加热升温至560-570℃以上,氨分解出活性氮原子,活性氮原子被工件表面吸收并溶入表面,在保温过程中向里扩散,形成渗氮层。渗氮时间2-5h,可获得厚度为0.4-0.6mm氮化层。

2)离子渗氮。在低于一个大气压的渗氮气氛中,利用锻件(阴极)和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺。离子渗氮相对于气体渗氮速度快、周期短,38CrMoAlA要达到0.53-0.70mm深的渗层,仅需1.5-2.0h (气体渗氮法5h);渗层质量高,明显提高渗氮层的韧性和疲劳强度;工件变形小,适用于处理精密零件和复杂零件;材料的适应性强,渗氮用钢、碳钢、合金钢和铸铁都能进行离子渗氮,但专用渗氮钢(如38CrMoAlA)效果较佳。缺点是投资高,温度分布不均,测温困难和操作要求严格等。

3)钢的氮碳共渗。也称气体软氮化,是在一定温度(500-560℃)下,向锻件表层渗入氮和碳,并以渗氮为主的化学热处理工艺。常以尿素分解为渗剂,加热后分解出活性碳、氮原子,被锻件表面吸收,经扩散获得渗层。其目的是提高锻件表面硬度、耐磨性和疲劳强度。广泛应用于模具、高速钢刀具、曲轴、齿轮、气缸套等耐磨件的处理。

       氮碳共渗的特点是渗层硬而不脆,具有高的耐磨性、抗咬合性、抗擦伤的能力;处理时间短,一般1?3h,渗后不再进行其他处理;且不受钢种的限制。缺点是表层碳氮化合物层太薄,仅有0.01?0.02 mm,不宜用于重载条件下。

(3)碳氮共渗

       碳氮共渗是一种改进型的气体渗碳工艺,是在含有碳氢化合物、一氧化碳、氨气的气氛中,在高于Ac1温度的奥氏体状态下,把碳和氮同时渗人锻件表面增加其表面硬度的工艺。通常在840-870℃下进行,保温4-6h可得0.5-0.8 mm渗层,但共渗层浅,一般用于轻载荷、高耐磨性的零件。

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