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模具材料的滲碳和滲氮表面處理工藝

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滲碳與滲氮,一般是指鋼的表面化學(xué)熱處理。

1.滲碳

滲碳必須用低碳鋼或低碳合金鋼,可分為固體、液體、氣體滲碳三種。應用較廣泛的氣體滲碳,加熱溫度900-950℃。滲碳深度主要取決于保溫時(shí)間,一般按每小時(shí)0.2-0.25毫米估算。表面含碳量可達百分之0.85-1.05。滲碳后必須熱處理,常用淬火后低溫回火,得到表面高硬度、心部高韌性的耐磨抗沖擊零件。

鋼的滲碳,就是將低碳鋼在富碳的介質(zhì)中加熱到高溫(一般為900-950℃),使活性碳原子滲入鋼的表面,以獲得高碳的滲層組織。隨后經(jīng)淬火和低溫回火,使表面具有高硬度、耐磨性及疲勞抗力,而心部仍保持足夠的強度和韌性。

2.滲氮

應用最廣泛的氣體滲氮,加熱溫度500-600攝氏度。氮原子與鋼的表面中的鋁、鉻、鉬形成氮化物,一般深度為0.1-0.6毫米,氮化層不用淬火即可得到很高的硬度,這種性能可維持到600-650攝氏度。工件變形小,可防止水蒸氣、堿性溶液的腐蝕,但生產(chǎn)周期長(cháng),成本高,氮化層薄而脆,不宜承受集中的重載荷。主要用來(lái)處理重要和復雜的精密零件。

涂層、鍍膜是物理的方法,而“滲”是化學(xué)變化,本質(zhì)不同。

一.滲碳鋼的化學(xué)成分特點(diǎn)

(1)滲碳鋼的含碳量

一般都在0.15-0.25%范圍內。對于重載的滲碳體,可以提高到0.25-0.30%,以使心部在淬火及低溫回火后仍具有足夠的塑性和韌性。但含碳量不能太低,否則,就不能保證一定的強度。

(2)合金元素在滲碳鋼中的作用

提高淬透性、細化晶粒、強化固溶體,影響滲層中的含碳量、滲層厚度及組織。在滲碳鋼中通常加入的合金元素有錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、硼等。

常用滲碳鋼可以分碳素滲碳鋼和合金滲碳鋼兩大類(lèi)。

(a)碳素滲碳鋼

用得最多的是15和20鋼,它們經(jīng)滲碳和熱處理后,表面硬度可達56-62HRC。但由于淬透性較低,只適用于心部強度要求不高、受力小、承受磨損的小型零件,如軸套、鏈條等。

(b)低合金滲碳鋼

如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其滲透性和心部強度均較碳素滲碳鋼高,可用于制造一般機械中的較為重要的滲碳件,如汽車(chē)、拖拉機中的齒輪、活塞銷(xiāo)等。

(c)中合金滲碳鋼

如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和較高的強度及韌性,主要用以制造截面較大、承載較重、受力復雜的零件,如航空發(fā)動(dòng)機的齒輪、軸等。

固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳,滲碳溫度為900-950℃,表面層(碳)為0.8-1.2%,層深為0.5-2.0mm。

二.滲碳后的熱處理

滲碳工件實(shí)際上應看作是一種表面與中心含量相差懸殊的復合材料。滲碳只能改變工件表面的含碳量,而其表面以及心部的最終強化,則必須經(jīng)過(guò)適當的熱處理才能實(shí)現。滲碳后的工件均需進(jìn)行淬火和低溫回火。

淬火的目的是,使在表面形成高碳馬氏體或高碳馬氏體和細粒狀碳化物組織。低溫回火溫度為150-200℃。

三.滲碳零件注意事項

(1)滲碳前的預處理正火,目的是改善材料原始組織、減少帶狀、消除魏氏組織,使表面粗糙度變細,消除材料流線(xiàn)不合理狀態(tài)。正火工藝:用860-980℃空冷、179-217HBS。

(2)滲碳后需進(jìn)行機械加工的工件,硬度不應高于30HRC。

(3)對于有薄壁溝槽的滲碳淬火零件,薄壁溝槽處不能先于滲碳之前加工。

(4)不得用鍍鋅的方法防滲碳。

四.防止滲碳方法

(1)加大余量法。在不需要滲碳的部位預先留出一定的加工余量,其留量比滲碳層深度大一倍以上。滲碳后,先車(chē)去滲碳層再轉淬火。

(2)鍍銅法。在不需滲碳的部位電鍍一層0.02-0.04mm的銅,銅層要致密,不得暴露原金屬。

(3)涂料法。在不需滲碳的部位涂上防滲涂料。

(4)工裝法。自制專(zhuān)用工裝,把不需滲碳的部位封閉密封。

五.鋼的滲氮(強化滲氮和抗蝕滲氮)

使氮原子滲入鋼的表面,形成富氮硬化層的一種化學(xué)熱處理工藝。

與滲碳相比,滲氮處理后的零件具有高硬度和耐磨性、高疲勞強度、較高抗咬合、較高抗蝕性。滲氮過(guò)程在鋼的相變溫度以下(450-600℃)進(jìn)行,因而變形小,體積稍有脹大。缺點(diǎn)是周期長(cháng)(一般氣體滲氮工藝的滲氮時(shí)間長(cháng)達數10h到100h)、成本高、滲層薄(一般為0.5mm左右)而脆,不能承受太大的接觸應力和沖擊載荷。

六.滲氮用鋼

從理論上講,所有的鋼鐵材料都能滲氮。但我們只將那些適用可滲氮處理并能獲得滿(mǎn)意效果的鋼才稱(chēng)為滲氮用鋼。凡含有Cr、Mo、V、Ti、Al等元素的低、中碳合金結構鋼、工具鋼、不銹鋼(不銹鋼滲氮前需去除工件表面的鈍化膜,對不銹鋼、耐熱鋼可直接用離子氮化方法處理)、球墨鑄鐵等均可進(jìn)行滲氮。

滲氮后的零件雖然具有高硬度、高耐磨性和高的疲勞強度,但只是表面很薄的一層(鉻鉬鋁鋼于500-540℃,經(jīng)35-65h滲氮層深只達0.3-0.65mm)。必須有強而韌的心部組織作為滲氮層的堅實(shí)基底,才能發(fā)揮滲氮的最大作用。

總的來(lái)看,大部分滲氮零件是在有摩擦和復雜的動(dòng)載荷條件下工作的,不論表面和心部的性能都要求很高。

如果用碳鋼進(jìn)行滲氮,形成的Fe4N和Fe2N較不穩定。溫度稍高,就容易聚集粗化,表面不可能得到更高的硬度,并且,其心部也不能具有更高的強度和韌性。為了在表面得到高硬度和高耐磨性,同時(shí)獲得強而韌的心部組織,必須向鋼中加入一方面能與氮形成穩定氮化物,另外還能強化心部的合金元素,如Al、Ti、V、W、Mo、Cr等,均能和氮形成穩定的化合物,其中,Cr、W、Mo、V還可以改善鋼的組織,提高鋼的強度和韌性。

目前,專(zhuān)門(mén)用于滲氮的鋼種是38CrMoAlA,其中,鋁與氮有極大的親和力,是形成氮化物提高滲氮層強度的主要合金元素。AlN很穩定,到約1000℃的溫度在鋼中不發(fā)生溶解。由于鋁的作用使鋼具有良好的滲氮性能,此鋼經(jīng)過(guò)滲氮,表面硬度高達1100-1200HV(相當67-72HRC)。38CrMoAlA鋼脫碳傾向嚴重,各道工序必須留有較大的加工余量。

對高硬度、高耐磨性要求的氮化件,不宜選用碳鋼和一般合金鋼。對以提高抗蝕性能為主的氮化件,可選用碳鋼和一般合金鋼。

七.滲氮零件注意事項

(1)滲氮前的預備熱處理調質(zhì)。滲氮工件在滲氮前,應進(jìn)行調質(zhì)處理,以獲得回火索氏體組織。調質(zhì)處理回火溫度一般高于滲氮溫度。

(2)滲氮前的預備熱處理去應力處理。滲氮前,應盡量消除機械加工過(guò)程中產(chǎn)生的內應力,以穩定零件尺寸。消除應力的溫度均應低于回火溫度,保溫時(shí)間比回火時(shí)間要長(cháng)些,再緩慢冷卻到室溫。斷面尺寸較大的零件不宜用正火。工模具鋼必須采用淬火回火,不得用退火。

(3)滲氮零件的表面粗糙度Ra應小于1.6um,表面不得有拉毛、碰傷及生銹等缺陷。不能及時(shí)處理的零件,須涂油保護,以免生銹。吊裝入爐時(shí),再用清潔汽油擦凈,以保證清潔度。

(4)含有尖角和銳邊的工件,不宜進(jìn)行氮化處理。

(5)局部不氮化部位的保護,不宜用留加工余量的方法。

(6)表面未經(jīng)磨削處理的工件,不得進(jìn)行氮化。

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