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渗碳钢和氮化钢及其热处理

2014-08-21 09:56 来源：中联钢

许多机器零件要求表面有高的疲劳强度和耐磨性，这就需要进行表面化学热处理。渗碳钢和氮化钢是为适应于渗碳和氮化热处理工艺的需要而发展起来的钢种。例如齿轮及轴等零件，除要求高的强度及韧性外，高的表面耐磨性往往是不可缺少的。耐磨性的提高必须配合强韧化热处理，同时设法提高表面硬度，其中工程上最有效、最实用的方法就是通过化学热处理，也就是渗碳及氮化来实现。

1）渗碳钢及其热处理

①渗碳钢的服役条件和性能要求

以齿轮为例分折渗碳钢的工作条件及对使用性能的要求。齿轮工作时，受到几种应力的作用：如从啮合点到齿根的整个齿面上均承受脉动弯曲应力，齿面接触传递动力而造成的接触应力，两齿面相对运动(包括滚动与滑动)产生的摩擦力等。在这些应力的作用下，齿轮的常见的失效方式是弯曲疲劳破坏如断齿、齿面产生接触疲劳破坏如麻点和硬化层剥落等。由于齿轮的服役条件很复杂，齿轮用钢不但应有高的耐磨性、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度和屈服强度，而且还应有较高的塑性和韧性。

②渗碳钢的成分特点

碳含量：渗碳件心部低碳含量(w(C)＝0.1％-0.25％)，这对保证零件心部有足够塑、韧性。若碳含量过低，表面的渗碳层易于剥落；碳含量过高，则心部塑、韧性下降，表层的压应力减少，从而降低弯曲疲劳强度。

合金化原则：主加Cr、Mn、Ni、Si、B等元素，提高心部淬透性和强化铁素体，辅加W、Mo、V、Ti等元素，起到细化晶粒、进一步提高心部淬透性的作用。

③热处理特点

预先热处理（渗碳前）一般是正火，其作用是提高硬度、改善切削加工性能，同时也使组织均匀、消除组织缺陷、细化晶粒。最终热处理一般为渗碳后进行淬火及低温回火，以获得高硬度、高耐磨性的表层及强而韧的心部。

根据钢化学成分的差异，常用的最终热处理方式有三种

第一种是渗碳后经预冷、直接淬火并低温回火(称直接淬火法)，适用于合金元素含量较低又不易过热的钢，如20CrMnTi钢等。

第二种是渗碳后先缓冷至室温，然后重新加热淬火并低温回火(称一次淬火法)，适用于渗碳时易过热的碳钢及低合金钢，或固体渗碳后的零件等，如20、20Cr钢等。

第三种是渗碳后缓冷至室温、又重新加热两次淬火并低温回火(称二次淬火法)，适用本质粗晶粒钢和对性能要求很高的重要合金钢工件，但因生产周期长、成本高、工件易氧化脱碳和变形，目前生产上已很少采用。

经最终热处理后的组织应为，表层由回火马氏体加粒状合金碳化物及少量残余奥氏体组成，心部由低碳回火马氏体及少量铁素体(淬透时)或铁素体加珠光体(未淬透时)组成。常用渗碳钢热处理后的力学性能见表8。

表8常用渗碳钢热处理后的力学性能

钢种	热处理工艺	σs/MP	σb/MP	δ/%	ψ/%	αk/J/cm2
20	800℃水淬180℃-200℃回火	274-343	490-588	≥18	≥45	-
20MnV	880℃油淬200℃回火	≥637	≥833	≥10	≥50	≥68
20CrMnTi	870℃油淬200℃回火	≥834	≥980	≥10	≥45	≥69
25MnTiBRE	850℃油淬200℃回火	≥1079	≥1373	≥10	≥45	≥59
22CrMnMo	850℃油淬200℃回火	≥883	≥1177	≥10	≥45	≥69
20Cr2Ni4	780℃油淬200℃回火	≥1079	≥1177	≥11	≥45	≥78.5
18Cr2Ni4W	850℃油淬200℃回火	≥834	≥1177	≥11	≥45	≥98

2）氮化钢及其热处理

氮化钢多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢(如35CrMo、42CrMo、38CrMoAlA钢等)。氮化钢零件一般经过调质处理、切削加工、500—570℃氮化处理。

零件经渗氮处理后具有以下特点：

①由于存在表面化合物层，氮化后不需再进行任何其他热处理，即可得到非常高的表面硬度，因而有高的耐磨性；

②有一定的耐热性，在低于渗氮温度下工作时可保持高硬度，改善抗腐蚀性能；

③可提高钢件的疲劳强度，降低缺口的敏感性；

④由于氮化处理温度较低，热处理变形小，因此，特别适合于尺寸精度要求较高而最终热处理要求变形小的机械零件(如机床丝杆、镗杆，大马力内燃机曲轴等)。

随着渗氮新工艺的发展，如氮碳共渗、离子氮化等工艺的采用。渗氮工艺的适用范围不断扩大，可通过氮化处理工艺改善性能的钢种逐渐增多。如中碳合金结构钢、铬钢、铬钼钢、铬钒钢、镍铬钼钢、铬锰钛钢、铬含量(质量分数)为5％的模具钢H11和H13，铁素体和马氏体不锈钢，奥氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢等。