金属的渗氮.doc

5.3 金属的渗氮 向金属表面渗入氮元素的工艺称为渗氮，通常也称为氮化。 钢渗氮可以获得比渗碳更高的表面硬度和耐磨性，渗氮后的表面硬度可以高达HV950—1200(相当于HRC65～72)，而且到600℃仍可维持相当高的硬度。渗氮还可获得比渗碳更高的弯曲疲劳强度．此外，由于渗氮温度较低(500一570℃之间)，故变形很小．渗氮也可以提高工件的抗腐蚀性能．但是渗氮工艺过程较长，渗层也较薄，不能承受太大的接触应力。目前除了钢以外，其它如钛、钼等难熔金属及其合金也广泛地采用渗氮. 一、钢的渗氮原理 1． 铁—氮状态图 (请观看视频演示） 铁氮状态图是研究钢的渗氮的基础。Fe-N系中可以形成如下五种相： α相——氮在α-Fe中的间隙固溶体。氮在α-Fe中的最大溶解度为0．1％(在590℃)。 γ相——氮在γ-Fe中的间隙固溶体，存在于共析温度590℃以上。共析点的氮含量为2．35％(重量)。 γ’相——可变成分的间隙相化合物。其晶体结构为氮原子有序地分布于由铁原子组成的面心立方晶格的间隙位置上．氮的含量为5．7、6．1％(重量)之间．当含氮量为5．9％时化合物结构为Fe4N．因此，它是以Fe4N为基的固溶体。γ’相在680℃以上发生分解并溶解于§相中。 §相——含氮量很宽的化合物．其晶体结构为在由铁原子组成的密集六方晶格的间隙位置上分布着氮原子。在一般渗氮温度下，§相的含氮量大致在8．25—11．0％范围内变化。因此它是以Fe3N为基的固溶体。 ∑相——为斜方晶格的间隙化合物，氮原子有序地分布于它的间隙位置。也可认为是§相的扭曲变体(为六方晶格)，含氮在11．0—11．35％范围，分子式为Fe2N。其稳定温度为450℃以下，超过450℃则分解。 在Fe-N系中，有两个共析转变温度，即650℃，§→α＋γ’，及590℃，γ→α＋γ’。其中γ相即为含氮奥氏体。当其从高于590℃的温度迅速冷却时将发生马氏体转变，其转变机构和含碳奥氏体的马氏体转变一样．含氮马氏体α’是氮在α-Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方晶格，与含碳马氏体类似。 2， 钢的渗氮过程 钢的渗氮和其它化学热处理一样，也由五个交叉的过程所构成．但对气体渗氮来说，主要是渗剂中的扩散、界面反应及相变扩散．普通渗氮常用氨气作为渗氮介质。 利用氨气作渗氮介质时，其活性氮原子的解离及吸收过程按下述进行．氨在无催化剂时，分解活化能为377kJ／mol，而当有铁、钨、镍等催化剂参加下，其活化能约为167kJ／mol．因此钢渗氮时氨的分解主要在炉内管道、工件，渗氮箱及挂具等钢铁材料制成的构件表面上通过催化作用来进行．通人渗氮箱的氨气，经过工件表面而落入钢件表面原子的引力场时，就被钢件表面所吸附。这种吸附是化学吸附。在化学吸附作用下，如前所述，解离出氮原子，被铜件吸收并渗入工件表面。 二、渗氮层的组织和性能 1． 纯铁渗氮层的组织和性能 纯铁渗氮层的组织结构应该根据Fe－N状态图及扩散条件来进行分析．例如在520℃渗氮时，若表面氮原子能充分吸收，则按状态图自表面至中心依次为§相→γ’相→α相．渗层组织自表面至中心变成§→§＋γ’→γ’→γ’＋α→α相。下图为10钢650℃气体渗氮45分钟后以不同方式冷却的渗层显微组织． 其中，a) 为随炉冷却，其渗层组织最表面为抗腐蚀的化合物层(§相)，其次为最不耐蚀的区域，为γ’＋α的混合物区(包括共析层)； b) 为渗氮后空冷组织，由于抑制了γ→γ’＋α的共析转变，故没有易腐蚀的区域，而由含氮奥氏体和含氮马氏体所代替； c) 为油冷，其渗层组织与空冷类似 a）随炉冷却 b）空冷 c）油冷 纯铁渗氮后各渗氮相的硬度。含氮马氏体具有最高的硬度，可达HV700左右；其次为γ’相，接近于HV500；§相硬度小于HV300．快冷所获得的过饱和α固溶体及含氮马氏体α’都是不稳定相，在加热时要发生分解，并伴随着性能的变化。 含氮马氏体α’的回火过程是：在20一180℃温度范围内回火是由淬火马氏体变成回火马氏体的过程，此时过饱和的α’相分解成氮过饱和度较小的α’相及亚稳氮化物α相。α相与母相共格．在温度150—330℃进行着残余奥氏体向回火马氏体的转变及氮化物α→γ’的转变．由于这些转变形成了铁素体—氮化物混合物(γ’＋α）。在较高的温度300～550℃回火，相成分没有发生变化，仅进行着氮化物的聚集及球化过程．伴随着含氮马氏体回火过程的进行，硬度降低。 过饱和含氮铁素体的分解(时效)。过饱和含氮