35CrMo钢氮化淬火复合工艺的分析研究.doc

第1章 绪 论 1.1 课题背景 随着近代工业的高速发展，加工制造业有了更高的要求，其中对表面强度和寿命要求也十分高。在这方面，现实应用中有很多处理方法：各种热处理方法及激光强化、电沉积镀层、电火花表面强化、气相沉积等表面强化新技术。其中氮化法以硬化质量高、氮化效率高而得到了广发的使用，并不断进步，使制造业使用的工具寿命大大提高。众多氮化法中离子氮化法在工业化进程中最为普及。 离子渗氮法是由德国人B.Berghaus于1932年发明的[1]。该法是在0.1～10Torr的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极，在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于辉光放电现象便会产生像霓虹灯一样的紫色柔光覆盖在被处理工件的表面。此时，已离化了的气体成分被电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。同时依靠溅射及离子化作用等进行氮化处理。尽管离子渗氮技术的研究早在上世纪三十年代就开始了，但直至1967年，这一技术才达到工业实用阶段。六十年代末期，我国开始了离子渗氮工艺和设备的研究，进而由试制到生产应用并创新发展[2]。 35CrMo合金结构钢,有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性较40Cr高，高温下有高的蠕变强度与持久强度，长期工作温度可达 500℃；冷变形时塑性中等，焊接性差。用作在高负荷下工作的重要结构件，如车辆和发动机的传动件；汽轮发电机的转子、主轴、重载荷的传动轴，大断面零件 调质是传统的热处理工艺，广泛应用于中碳钢和合金钢的热处理工艺，调质后得到的索氏体组织，可以在很大程度上提高钢的硬度及耐磨性，另外还可以同时保证良好的冲击韧性及较高的抗疲劳强度，是目前最主要的热处理手段。但是其达到的硬度值一般都是有限的，在要求较高的环境中，仍然不能够满足其使用要求，为了弥补这一缺点，还需要进行后续处理来提高硬度、耐磨性，在众多的处理手段中，氮化方法应用最广，其中以离子氮化表面强化最为突出。 随着现代工业的飞速发展，现在对于零件的性能有了更高的要求。仅靠常规的热处理或是单一的渗氮渗碳等表面处理技术已经不能满足工件的性能要求[3]。 为了进一步提高零件性能，近年来热国内外热处理工作者在复合热处理方面进行了深入研究，旨在提高金属材料硬度、耐磨性、疲劳强度和红硬性。随着渗氮技术的成熟，如气体渗氮、液体渗氮、离子渗氮等。渗氮淬火复合工艺近年来被提出并广泛地用于以中碳合金结构钢制造加工的各种零件和工模具的强化[4]。渗氮淬火即工件经渗氮或氮碳共渗后加热到α+γ-Fe4N共析温度以上然后淬冷，使表面形成厚层含氮马氏体的复合化学热处理工艺。经此工艺处理的工件畸变小于渗碳件,而硬化层比常规渗氮处理的厚,能使钢件获得比普通淬火更高的硬度、耐磨性、疲劳强度和红硬性,适合于各种材料,因此具有广阔的应用前景[5]。 1.2 离子氮化理论 离子渗氮向工件渗入的氮元素，主要被电场加速的正离子碰撞含氮气体的分子或原子而形成的离子，并在工件附近富集形成的活性很强的氮原子[6]，氨气离子渗氮还包含像一般气体渗氮那样由氨气热分解而产生的活性氮原子。通过国内外学者大量的实验研究，对于低压稀薄渗氮介质在电场作用下的电离方式，高能电子、高能离子、高能中性原子之间的相互碰撞及其在钢件表面发生的吸附和溶解等界面反应、活性氮原子产生及内扩散等离子渗氮反应机理的认识日臻完善。 1965年德国J．Kolbel基于对离子渗氮所收集到的急冷溅射产物氮含量分析结果的推断，提出离子渗氮阴极溅射模型[7]。离子渗氮时，渗氮层是通过反应阴极溅射而形成的。真空炉内稀薄气体在阴极、阳极问直流高压下形成等离子体，阴极电压降的加速作用使得高能的N+、H+和NHj+等正离子轰击工件表面，轰击的能量可加热阴极工件、使工件产生二次电子发射，同时产生阴极溅射，打出C、N、O、Fe等原子产生阴极溅射。溅射出的Fe在等离子区与活性氮原子结合成FeN，再经过背散射沉积在工件表面。随后在离子轰击和热激活作用下，FeN发生分解，按照FeN—Fe2N—Fe3N—Fe4N分解析出的氮原子大部分向工件内部渗入，一部分返回到等离子区，重新与溅射出的铁原子结合[8]。 1.2.1 离子氮化技术的应用 离子氮化作为强化金属表面的一种化学热处理方法，广泛适用于铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢及钛合金等。零件经离子渗氮处理后，可显著提高材料表面的硬度，使其具有高的耐磨性、疲劳强度，抗蚀能力及抗烧伤性等。 氮化在机械工业、石油工业、国防工业等领域应用十分广泛，与渗碳、中温碳氮共渗相比，具有许多优点。渗氮改变了表面的化学成分和组织状态，因而也改变了金属材料在静载荷和交变应力下的强度性能、磨擦性、成形性及腐蚀性。渗氮的目的是提高金属零件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和抗腐蚀能力[9]。因此，普遍应用于各种精密的齿轮、高精密机床主轴和丝杠、镗杆等