離子滲氮重要的特點(diǎn)之一是可以通過控制滲氮?dú)夥盏慕M成、氣壓、電參數(shù)、溫度等因素來控制表面化合物層(俗稱白亮層)的結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散層組織,從而滿足零件的服役條件和對性能的要求。
離子滲氮化合物層常遇到的氮化物相有兩種:γ,-Fe4N相和ε-Fe2-3N相,離子氮碳共滲(俗稱軟氮化)還可能出現(xiàn)Fe3C相。γ,單相具有*小的脆性,但耐磨性較差,ε單相脆性也較小,并有較好的耐磨性和抗磨合性能。合金結(jié)構(gòu)鋼離子滲氮時(shí)一般均得到雙相(γ,+ε或ε+γ,)組織,脆性較單相大些,耐磨性較好;離子氮碳共滲得到ε+Fe3C(少量)組織,脆性并不增加,而有**的耐磨性。
一、影響化合物層中ε和γ,相含量的因素
影響離子滲氮化合物層結(jié)構(gòu)的因素很多,有滲氮?dú)夥盏挠绊懀摬某煞趾徒M織方面的影響,還有滲氮溫度、時(shí)間、氣壓等工藝方面的影響因素。
(一)滲氮?dú)夥盏挠绊?/p>
離子滲氮?dú)夥罩械吞嫉暮渴怯绊懟衔飳酉嘟Y(jié)構(gòu)的重要因素。
1)氣氛含氮量對化合物層相結(jié)構(gòu)的影響
隨著氣氛含氮量增加,化合物層中ε相含量增多,白亮層也隨之增厚。如40Cr鋼用氨氣滲氮時(shí),ε相含量相當(dāng)多,改用分解氨后則大大減少。
2)氣氛中添加含碳?xì)怏w將γ,形成,而得到以ε相為主或ε單相結(jié)構(gòu)的化合物層。
如氣氛中加入丙烷(C3H8)后,化合物層中ε含量迅速增多,基本由ε單相組成。含碳量再增多則化合物層中開始出現(xiàn)Fe3C,含碳量繼續(xù)增多,則Fe3C增多,ε減少直到完全消失
離子滲氮需要嚴(yán)格控制氣氛中含碳量,使之能得到ε單相或ε+少量Fe3C的雙相組織。這樣的組織其硬度和耐磨性均比單純離子氮化有較大提高。如45鋼在含80%N2的氮?dú)錃夥罩?70℃滲氮3小時(shí),表面硬度只有575-603HV0.5,加入丙烷氣后,當(dāng)含碳量達(dá)到臨界值(不出現(xiàn)Fe3C的**含碳量)時(shí),ε相化合物層的硬度達(dá)730-781 HV0.5。
(二)鋼材成分和組織的影響
隨著鋼中含碳量及合金元素增加,氮化層中ε相也隨之增多。
基體組織硬度較高者,滲氮層表面硬度也較高,而且化合物層較厚,其中ε相也較多。
一般來說,調(diào)質(zhì)組織滲氮化合物層中的ε相含量比正火組織少。
(三)滲氮保溫時(shí)間的影響
40Cr鋼化合物層厚度在滲氮初期增長較快,保溫2-4小時(shí)后變化不大。而38CrMoAl鋼化合物層厚度則隨時(shí)間延長而增厚,保溫24小時(shí)后,這種趨勢仍然保持著。
一般合金結(jié)構(gòu)鋼在用分解氨滲氮時(shí),隨保溫時(shí)間延長,ε相減少,γ,相增多,長時(shí)間保溫后,化合物層基本由γ,相組成。
(四)滲氮溫度的影響
40Cr鋼滲氮時(shí),從500℃升到達(dá)560℃,化合物層中ε和γ,均增加,當(dāng)升到580-600℃時(shí),ε相突然減少,γ,相數(shù)量猛增,當(dāng)溫度升到620℃,γ,相數(shù)量急劇減少,升到650℃以上則化合物層分解。
(五)氣壓的影響
離子滲氮化合物層的厚度在某一*佳氣壓下出現(xiàn)**值,氮化物ε相的含量和氣壓也有類似的關(guān)系。如40Cr鋼在530℃滲氮,氣壓為400Pa時(shí),化合物層中ε相含量*多,而在570℃滲氮,這一氣壓值為530Pa。
二、獲得各種化合物層組織的工藝方法
(一)γ,單相化合物層的獲得
γ,相在室溫時(shí)它的含氮量為5.7-6.1%,相區(qū)狹窄,所以γ,單相化合物層比較薄,通常認(rèn)為可達(dá)8um。碳在γ,相中的溶解度不大,室溫時(shí)**溶碳能力為0.2%。由此可見,獲得γ,相的條件是滲氮表面貧碳和氮含量偏低。所以降低氣氛氮?jiǎng)荩瑥?qiáng)化脫碳過程將有利于γ,的獲得。
用以下方法之一,可以獲得γ,單相化合物層:
(1)降低氣氛的含碳量
用含氮25%的氮?dú)浠旌蠚饣蛘邿岱纸獍辈蝗菀椎玫溅茫瑔蜗嗷衔飳樱徽撌?8CrMoAl還是40Cr鋼,甚至碳鋼都程度不同地含有ε相,若進(jìn)一步降低氣氛含氮量到10%時(shí),上述幾種鋼材都能得到γ,單相化合物層。
(2)降低爐氣壓力
低氣壓、高電壓,強(qiáng)化濺射和脫碳作用,有利于化合物層中γ,的形成。40Cr鋼和38CrMoAl鋼在含氮25%的氮?dú)錃夥罩?30℃滲氮,當(dāng)氣壓為160Pa時(shí)能得到薄薄的γ,單相化合物層,可以在保溫前1-3小時(shí)內(nèi)用低氣壓,而在以后的保溫過程中用一般氣壓滲氮。這樣γ,單相層可由1-2um增加到4-5um。提高滲氮溫度還能使它進(jìn)一步增厚。
(3)預(yù)脫碳法
用熱分解氨離子滲氮時(shí),只有工業(yè)純鐵容易得到γ,單相化合物層。因此可以設(shè)想,如果使材料表面先形成一層脫碳層,隨后再滲氮,就可以得到γ,單相化合物層。如40Cr和38CrMoAl試樣先用氫氣起輝升溫,達(dá)到530℃后保溫1小時(shí),然后改用25%N2-H2或熱分解氨繼續(xù)滲氮,都得到了γ,單相化合物層。
(4)延長離子滲氮時(shí)間
碳鋼、40Cr等材料用分解氨離子滲氮時(shí),隨著滲氮時(shí)間延長,化合物層中ε相逐漸減少。
(二)ε單相和ε加少量Fe3C化合物層的獲得
離子氮碳共滲氣氛中碳量達(dá)到臨界值時(shí),就能得到ε單相化合物層。如果超過臨界含碳量,則得到ε+Fe3C化合物層。圖2給出了45鋼在570-590℃離子氮碳共滲3小時(shí),氣氛的組成與化合物層組織之間的關(guān)系。可見,ε相單相區(qū)非常狹窄,在圖中僅僅是一條線,即是臨界含碳量曲線。這就意味著獲得ε單相的工藝性較差,氣氛配比控制得很嚴(yán)格才能做到。否則經(jīng)常得到的是ε+Fe3C雙相化合物層。而形成ε+Fe3C化合物層的氣相配比范圍卻比較寬,生產(chǎn)上容易控制。Fe3C的存在能提高滲氮層的耐磨性,而且少量Fe3C和ε雙相化合物層的脆性并不比ε單相差。因此,離子氮碳共滲獲得ε+少量Fe3C化合物層是有利而無害的。圖2中陰影所示部分為離子氮碳共滲氣氛的配比范圍。在陰影內(nèi),于570-590℃滲氮3小時(shí),正火45鋼表面可以得到15-30um的ε或ε+Fe3C構(gòu)成的化合物層。氣氛含氮量低,含碳量高,化合物層較薄,反之則厚。如果不需要過厚的化合物層,可以把共滲時(shí)間縮短至1-2小時(shí)。當(dāng)然,臨界含碳量也要作相應(yīng)調(diào)整。
離子氮碳共滲的溫度以570-590℃,時(shí)間以2-4小時(shí)為宜,氣壓一般用270-530Pa。
氮?dú)饧颖楣矟B也同樣能得到ε相或ε+Fe3C化合物層。滲層表面呈銀灰色,雖然不用氫氣,但丙烷中含有的氫足以防止表面氧化。這種工藝不需要?dú)錃猓阌谠谏a(chǎn)中應(yīng)用。
(三)用酒精和丙酮進(jìn)行離子軟氮化
目前國內(nèi)在生產(chǎn)上常用酒精和丙酮進(jìn)行離子軟氮化,也能得到增加化合物層中ε相含量的效果。一般得到ε-Fe2-3(CN)+γ,-Fe4N雙相化合物層,但是ε相的含量較普通離子滲氮多,因而表面硬度和耐磨性都有進(jìn)一步提高。
操作時(shí)先通氨氣升溫,到溫后在按一定比例送入含碳?xì)夥铡>凭捅魵馐遣捎秘?fù)壓抽入的辦法通入爐內(nèi)。在氨/乙醇和氨/丙酮的流量比為9/1-7/3范圍內(nèi),表面硬度以8/2為**;化合物層的厚度在流量比9/1-8/2范圍內(nèi)變化不大,再增加含碳?xì)夥眨衔飳语@著減薄;不同流量比對擴(kuò)散層深度的影響不大。比較氨/乙醇和氨/丙酮這兩類氣氛,后者能獲得更高的表面硬度,較厚的化合物層和較深的擴(kuò)散層。其混合比以氨/丙酮=9/1-8/2為好。
三、無化合物層滲氮表面的獲得
滲氮時(shí)化合物層,形成的純擴(kuò)散層組織具有很高的強(qiáng)韌性,稱之為高韌性滲氮層。
產(chǎn)生純擴(kuò)散層有兩種辦法:
(一)兩段處理法:
先正常離子滲氮,得到γ,或γ,+ε化合物層的擴(kuò)散層,然后采用氫、氬等氣體輝光放電,靠離子轟擊,使已形成的化合物層分解。
(二)控制含氮量:
在整個(gè)過程中保持等離子區(qū)的低氮?jiǎng)荩员苊庠诒砻娈a(chǎn)生γ,氮化物的晶核。但此時(shí)氮?jiǎng)輵?yīng)恰好僅低于臨界值,以使擴(kuò)散層能被氮所飽和,并且在硬度和深度上不致比通常的擴(kuò)散層加化合物層降低太多。