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离子渗氮层的组织控制影响因素


       离子渗氮最重要的特点之一是可以通过控制渗氮气氛的组成、气压、电参数、温度等因素来控制表面化合物层(俗称白亮层)的结构和扩散层组织,从而满足零件的服役条件和对性能的要求。   

       

     离子渗氮化合物层常碰到的氮化物相有两种:γ,-Fe4N相和ε-Fe2-3N相,离子氮碳共渗(俗称软氮化)还可能出现Fe3C相。γ,单相具有最小的脆性,但耐磨性较差,ε单相脆性也较小,并有较好的耐磨性和抗磨合性能。合金结构钢离子渗氮时一般均得到双相(γ,+ε或ε+γ,)组织,脆性较单相大些,耐磨性较好;离子氮碳共渗得到ε+Fe3C(少量)组织,脆性并不增加,而有最好的耐磨性。


     影响化合物层中ε和γ,相含量的因素:影响离子渗氮化合物层结构的因素很多,有渗氮气氛的影响,钢材成分和组织方面的影响,还有渗氮温度、时间、气压等工艺方面的影响因素。


(一)渗氮气氛的影响


        离子渗氮气氛中氮和碳的含量是影响化合物层相结构的重要因素。

1)气氛含氮量对化合物层相结构的影响

        随着气氛含氮量增加,化合物层中ε相含量增多,白亮层也随之增厚。如40Cr钢用氨气渗氮时,ε相含量相当多,改用分解氨后则大大减少。

2)气氛中添加含碳气体将抑制γ,形成,而得到以ε相为主或ε单相结构的化合物层。

        如气氛中加进丙烷(C3H8)后,化合物层中ε含量迅速增多,基本由ε单相组成。含碳量再增多则化合物层中开始出现Fe3C ,含碳量继续增多,则Fe3C增多,ε减少直到完全消失。
        离子渗氮需要严格控制气氛中含碳量,使之能得到ε单相或ε+少量Fe3C的双相组织。这样的组织其硬度和耐磨性均比单纯离子氮化有较大进步。如45钢在含80%N2的氮氢气氛中570℃渗氮3小时,表面硬度只有575-603HV0.5,加进丙烷气后,当含碳量达到临界值(不出现Fe3C的最大含碳量)时,ε相化合物层的硬度达730-781 HV0.5。


(二)钢材成分和组织的影响


        随着钢中含碳量及合金元素增加,氮化层中ε相也随之增多。
        基体组织硬度较高者,渗氮层表面硬度也较高,而且化合物层较厚,其中ε相也较多。
        一般来说,调质组织渗氮化合物层中的ε相含量比正火组织少。


(三)渗氮保温时间的影响


        40Cr钢化合物层厚度在渗氮初期增长较快,保温2-4小时后变化不大。而38CrMoAl钢化合物层厚度则随时间延长而增厚,保温24小时后,这种趋势仍然保持着。
        一般合金结构钢在用分解氨渗氮时,随保温时间延长,ε相减少,γ,相增多,长时间保温后,化合物层基本由γ,相组成。+


(四)渗氮温度的影响


        40Cr钢渗氮时,从500℃升到达560℃,化合物层中ε和γ,均增加,当升到580-600℃时,ε相忽然减少,γ,相数目猛增,当温度升到620℃,γ,相数目急剧减少,升到650℃以上则化合物层分解。


(五)气压的影响


        离子渗氮化合物层的厚度在某一最佳气压下出现最大值,氮化物ε相的含量和气压也有类似的关系。如40Cr钢在530℃渗氮,气压为400Pa时,化合物层中ε相含量最多,而在570℃渗氮,这一气压值为530Pa。

来源:青岛丰东热处理


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