鍛件表面淬火、滲碳、滲氮等熱處理應用

 新聞資訊     |      2021-08-28

       鍛件表面淬火、滲碳、滲氮等熱處理是為了提高、強化鍛件表面的質量,能夠具有更高的強度、硬度、耐磨性和疲勞極限。鍛件表面熱處理是為改變工件表面的組織和性能,僅對其表面進行熱處理的工藝。通常使表面具有高硬度和耐磨性,而心部仍保持足夠的塑性和韌性。生產上先選用一定成分的鋼,保證心部力學性能指標滿足要求,然后應用表面熱處理方法強化表面層,使之達到性能要求。許多機械零件在扭轉、彎曲等交變負荷、沖擊負荷作用下工作,其表面層承受著比心部高的應力;在摩擦的場合,表面層還不斷被磨損。表面熱處理分為表面淬火和表面化學熱處理兩大類。

1.鍛件表面淬火

       鍛件的表面淬火是將工件表面快速加熱到淬火溫度,然后迅速冷卻,僅使表面層獲得淬火組織,而心部仍保持淬火前組織的熱處理方法。常用的有感應加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。表面淬火一般為中碳鋼和中碳合金鋼鍛件。

高溫鍛件淬火爐

       感應加熱淬火是利用電磁感應原理,通過交變電流在工件表面感應出巨大渦流,使鍛件表面迅速被加熱,而心部幾乎不受熱。

       感應加熱表面淬火的特點:淬火后馬氏體晶粒細化,表層硬度比普通淬火高2-3HRC。表層存在很大的殘余壓應力,有助于提高疲勞強度;不易產生變形和氧化脫碳;易于實現機械化與自動化,適合于批量生產。感應加熱淬火后,為了減小淬火應力和降低脆性,需進行170-200℃低溫回火。

       火焰加熱表面淬火是利用氧乙炔氣燃燒的火焰(溫度高達3100-3200℃)將鍛件表面快速加熱到相變溫度以上,隨后淬火冷卻的工藝方法。

       淬火后立即進行低溫回火,或利用鍛件內部余熱自身回火。這種方法可獲得2?6 mm的淬透深度,設備簡單,成本低,適于單件或小批量生產。

2.鋼的化學熱處理

       鍛件的化學熱處理是將鍛件置于適當的活性介質中加熱、保溫,使一種或幾種元素滲入到鋼的表層,以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝?;瘜W熱處理的主要特點是:表層不僅有組織的變化,而且有成分的變化,故性能改變的幅度大。其主要作用是強化和保護金屬表面。常用的化學熱處理方法是滲碳、滲氮和碳氮共滲。

(1)鍛件滲碳處理

將鍛件在滲碳介質中加熱并保溫使碳原子滲人表層的化學熱處理工藝。目的是使低碳(Wc=0.10%-0.25%)鋼件表面得到高碳(Wc=1.0%-1.2%),經適當的熱處理爐(淬火+低溫回火)后獲得表面高硬度、高耐磨性,而心部仍保持一定強度及較高的塑性、韌性。適用于同時受磨損和較大沖擊載荷的低碳、低碳合金鋼鍛件,如齒輪、活塞銷、套筒等。

井式滲碳爐

       目前廣泛應用的是氣體滲碳法。即將鍛件置于密閉的加熱爐中,可直接通入滲碳氣氛,如煤氣、液化石油氣;也可滴入有機物,如煤油、甲醇等,在高溫下裂解為含碳氣氛。含碳氣氛在鋼表面發生氣相反應,生成活性碳原子,被鋼表面吸收而溶入奧氏體中,并向內部擴散而形成一定深度的滲碳層。

       通常滲碳溫度為900-950℃,滲人速度為每小時0.2-0.3mm??刂票貢r間,即可控制所需的滲層深度。

氣體滲碳的優點是生產率高,勞動條件好,滲碳過程容易控制,容易實現機械化、自動化, 適用于大批量生產。

(2)鍛件的滲氮

       鋼的滲氮俗稱氮化,一般在Ac1溫度以下使活性氮原子滲入鍛件件表面,在鍛件表面獲得一定深度的富氮硬化層的熱處理工藝。目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐蝕性等。適用于交變載荷下工作并要求耐磨的重要結構零件,如高速傳動的精密齒輪、高速柴油機曲軸、高精度機床主軸及在高溫下工作的耐熱、耐蝕、耐磨零件如齒輪套、閥門、排氣閥等。

井式滲氮爐

       滲氮的特點:滲氮形成的氮化物硬度高,氮化物硬度可達950℃,1 200HV,相當于65-72HRC;耐磨性好;熱硬性好,在600-650℃有較高熱硬性,氮化后無須淬火。氮化溫度低(500-600℃),氮化過程中無組織轉變,變形小,組織穩定。形成的氮化層有少量膨脹,表面形成壓應力,可提高疲勞強度。氮化物連續致密,可提高耐蝕性。

       常用的滲氮方法有氣體滲氮、離子滲氮、氦碳共滲(軟氮化)等,生產中應用較多的是氣體滲氮。

1)氣體氮化。在氣體介質中進行滲氮的工藝。氮化用鋼需選用含有與氮親和力大的Al、Cr、Mo、Ti、V等合金元素的合金鋼,如38CrMoAlA、350A1A、38CrMo等。氮化前需調質預處理,目的是改善機加工性能并獲得均勻的回火索氏體組織,保證心部具有較高的強度和韌性。

       氣體滲氮是在滲氮爐內通入氨氣,加熱升溫至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,在保溫過程中向里擴散,形成滲氮層。滲氮時間2-5h,可獲得厚度為0.4-0.6mm氮化層。

2)離子滲氮。在低于一個大氣壓的滲氮氣氛中,利用鍛件(陰極)和陽極之間產生的輝光放電進行滲氮的工藝。離子滲氮相對于氣體滲氮速度快、周期短,38CrMoAlA要達到0.53-0.70mm深的滲層,僅需1.5-2.0h (氣體滲氮法5h);滲層質量高,明顯提高滲氮層的韌性和疲勞強度;工件變形小,適用于處理精密零件和復雜零件;材料的適應性強,滲氮用鋼、碳鋼、合金鋼和鑄鐵都能進行離子滲氮,但專用滲氮鋼(如38CrMoAlA)效果較佳。缺點是投資高,溫度分布不均,測溫困難和操作要求嚴格等。

3)鋼的氮碳共滲。也稱氣體軟氮化,是在一定溫度(500-560℃)下,向鍛件表層滲入氮和碳,并以滲氮為主的化學熱處理工藝。常以尿素分解為滲劑,加熱后分解出活性碳、氮原子,被鍛件表面吸收,經擴散獲得滲層。其目的是提高鍛件表面硬度、耐磨性和疲勞強度。廣泛應用于模具、高速鋼刀具、曲軸、齒輪、氣缸套等耐磨件的處理。

       氮碳共滲的特點是滲層硬而不脆,具有高的耐磨性、抗咬合性、抗擦傷的能力;處理時間短,一般1?3h,滲后不再進行其他處理;且不受鋼種的限制。缺點是表層碳氮化合物層太薄,僅有0.01?0.02 mm,不宜用于重載條件下。

(3)碳氮共滲

       碳氮共滲是一種改進型的氣體滲碳工藝,是在含有碳氫化合物、一氧化碳、氨氣的氣氛中,在高于Ac1溫度的奧氏體狀態下,把碳和氮同時滲人鍛件表面增加其表面硬度的工藝。通常在840-870℃下進行,保溫4-6h可得0.5-0.8 mm滲層,但共滲層淺,一般用于輕載荷、高耐磨性的零件。

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