长轴薄壁零件离子渗氮工艺改进
金属材料表面离子轰击(离子氮化)新技术

离子氮化本技术是我国70年代新兴的表面强化技术学科。
自1978年以来,我院从事钛合金的离子氮化和离子复合处理研究。
对热挤压铝型材模具钢3Cr2W8V 、进口(仿)H13钢。
不锈钢、日本P20、38CrMoAl 、40Cr 、35CrMo 、40CrNiMo 和30CrMnSi 等钢制零部件进行离子氮化和离子复合处理研究。
近年来,又开展对长轴类工件施行离子处理表面强化工作,诸如,高精度大型瓦楞辊和生产淀粉刮刀进行表面强化处理研究。
使工件表面既提高硬度,又保持基体强度。
耐腐蚀性能和耐磨性能也十分显著。
为社会创造了较大的经济效益。
多次获得国家科委“七五”攻关奖、中国有色金属总公司和省市级有关部门的奖励。
1. 离子轰击氮化法的基本原理离子氮化是利用辉光放电这一物理现象对金属材料表面强化的氮化法。
在低压的氮气或氨气等气氛中,炉体和被处理工件之间加以直流电压,使产生辉光放电,在被处理表面数毫米处出现急剧的电压降,气体中的离子,朝着图1箭头所示方向向阴极移动(如图1)。
当接近工件表面时,由于电压剧降而被强烈加速,轰击工件表面,离子具有的动能转变为热能,加热了被处理工件,同时一部分离子直接注入工件表面,一部分离子引起阴极溅射,从工件表面“溅出”电子和原子,“溅出”的铁原子和由于电子作用而形成的原子态氮相结合,形成FeN 。
FeN 由于吸附和在表面上蒸发,因受到高温和离子轰击而很快地分解为低价氮化物而放出氮。
一部分失去氮的铁又被溅射到辉光等离子气体中与新的氮原子相结合,促进氮化。
图1 离子氮化的表面反应图阴极下降电压降等离子区工件处理表面炉壁离子Fe + NFe 2N N FeNFe 3N N Fe 4N N ε相 γ‘相 αFe电子吸附图2 H13钢试样离子复合处理渗层与普通离子氮化渗层的X 射线衍射曲线对比 2. 离子轰击(氮化)处理工艺特点2.1采用本工艺能够在同一工件上获得基体性能与表面性能的良好配合,渗层表面既硬以韧。
离子渗氮工艺提高40Cr机床齿轮耐磨性的研究

2019年15期工艺创新科技创新与应用Technology Innovation and Application离子渗氮工艺提高40Cr 机床齿轮耐磨性的研究*卞豪亮,宋劲松,苏浩男(承德石油高等专科学校,河北承德067000)机床在工作过程中,主要通过齿轮传动传递动力,引导刀具进行加工。
由于机床齿轮在工作过程中会承受各种不同速度,不同大小的载荷,齿轮之间会不断产生相互磨损作用。
一旦磨损过大,齿轮啮合有误差,就会导致机床加工精度的下降。
因此,提高机床齿轮的耐磨性可以极大的提高齿轮的服役寿命。
机床齿轮在承受中高速载荷的情况下,常选用40Cr 钢,一般都是经调质热处理后加工得到。
调质处理后的齿轮韧性很好,但是表面硬度较低,耐磨性较差[1,2]。
近年来,各种表面工程技术不断发展,其中离子渗氮技术可以有效地提高材料的耐磨性能,已经应用于较多的零件的生产工艺中[3,4]。
因此,对40Cr 机床齿轮采用离子渗氮工艺可以极大提高齿轮的耐磨性,增加机床的服役寿命。
1试验内容与方法本试验选用40Cr 型号的机床齿轮用钢,经测定其材料成分如表1所示。
将调质处理后的40Cr 钢用线切割方法加工出30mm ×10mm 试样。
本试验采用LDMC-5型真空离子渗氮炉,渗氮气体为氢气和氮气,并且H 2与N 2体积比为3:1,渗氮温度为540℃,渗氮时压强为150Pa ,分别进行4h 、6h 、8h 、10h 的离子渗氮试验。
将试样悬挂于渗氮炉中,进行离子渗氮,对于渗氮后的试样进行金相观察,显微硬度测定以及摩擦磨损试验分析,确定试样获得最佳性能的离子渗氮时间。
本试验采用MH-3型显微硬度计和M-2000型摩擦磨损实验机。
2试验结果与分析2.1金相观察分析对试验后的试样进行显微金相观察,如图1所示。
40Cr 钢经离子渗氮后,工件表面会形成致密的渗氮层。
图1中试样边缘白亮的一层为白亮层,靠近白亮层的黑色部分为扩散层,白亮层和扩散层组成了渗氮层,靠近扩散层的心部组织为试样的基体。
纯氮离子渗氮工艺及机理研究_云腾

( College of Material Science and Engineering, Chongqing Universit y, Chongqing 400044, China)
Abstract: Alloy st eel w as nitrided under t he atmosphere of pure nit rogen, using the ion nit riding process by high
( a) ion-nit rided under N H3 atmosphere ( b) ion-nit rided under pure n it rogen atmosphere
子不断的被钢件表面吸收, 会导致平衡的破坏和反 应向右进行, 在气体渗氮时, 仅仅在热能的影响下, 氨气就能发生分解而产生活性氮原子。 312 氨气离子渗氮
子渗氮的研究工作。纯氮渗氮工艺是否有应用的价
值, 它与氨气离子渗氮有何差异, 都是值得研究的问
题。本文的目的是寻找一种能取代上述两种以 NH3 或者 N 2 与 H2 的混合气体作为渗氮气源的工艺并对 其渗氮机理进行深入探讨。
2 试验方法和结果
211 试验材料和方法
试验采用 35CrM o 合 金钢进行 纯氮离 子渗 氮。
工艺( 3) 为了较好地消除零件的尖角效应, 尤其 是缺口的淬透现象, 利用屏蔽作用来做工艺试验[ 1] 。 用H 62铜 材设 计 制成 如图 4所 示的 带缺 口的 屏 蔽
图 4 零件屏蔽环示意图
F ig. 4 Sketch o f the shielding ring
差速锁拨叉轴在使用 过程中沿轴向运动, 右侧 壁经常受到与之相配合零件的沿轴向的冲击。按工 艺( 1) 、( 2) 生产的零件, 因右侧壁基本淬透, 在受冲 击过程中易脆断, 使用寿命短, 按工艺( 3) 生产的零 件, 在保证零件的端部有韧性的条件下, 提高了淬火 部位的耐磨性, 达到了产品图的技术要求, 从而很好 地满足了零件的使用性能, 提高了零件的使用寿命。
离子渗氮常见缺陷

装炉不当,温度不均;气体流速过大;狭缝小孔没屏蔽造成局部过热。
正确装炉,设辅助阴、阳极调节压力,采用分解氨气以改善温度均匀性。屏蔽狭缝小孔。
局部软点、软区
屏蔽物或零件上带有非铁物质如锡、铜、锌、水玻璃、塑料等溅射在渗氮面上造成;零件氧化皮未清除干净。
不允许零件和屏蔽物上有非铁物质,渗氮面上不允许有氧化皮。
变形超差
渗氮前未很好的消除应力,温度不均,升温速度过快,零件结构不合理,防渗不对称。
渗氮前彻底消除应力,调整温度均匀性,严格控制升温速率,改进设计注意对称屏蔽。
显微组织出现网状或鱼骨状氮化物
温度过高,氮势过高。表面脱碳层未加工掉。
控制温度和氮势,零件不允许有尖角。增加预先热处理后的切削留量。
不锈钢渗不上氮,或渗层极浅,不均匀。
表面发亮
由于温度过低,时间短造成渗氮不足。
准确测温,记时。
表面发蓝
炉子漏气,气氛含水量过高造成氧化。
检查漏气原因,增设干燥罐。
表面发黑
炉内含氧量过高,零件油污过多。
检查漏气原因,增设干燥管,注意清洗零件。
硬度低
温度过高、跑温;温度过低,时间短,渗层太薄;真空度低,漏气造成氧化;氮气不足,材料错。
严格控制工艺,检查漏气原因,供气适当,改正材料。
炉内含氧量过高,造成氧化;氮势过低、温度过低。
检查漏气,增设干燥管;适当提高气氛或延长渗氮时间,提高渗氮温度,增设铁质附加阴极。
离子渗氮常见缺陷
由于离子渗氮在加热方式上的独特性及测温方法上尚不够完善,容易造成质量控制不稳定。了解学习离子渗氮常见缺陷及解决方法对处理生产中的遇到的问题至关重要。源自离子渗氮常见的缺陷及解决方法:
缺陷
产生原因
渗氮零件的工艺路线

渗氮零件的工艺路线
渗氮零件的工艺路线是指将零件表面浸入含氮化物的盐浴中,通过热处理使氮元素和基体元素发生扩散反应,从而在零件表面形成高浓度的氮化物层。
这种表面处理工艺可以提高部件的硬度、磨损性能和耐腐蚀性,同时还可以改善零件的表面光洁度和摩擦性能。
以下将详细介绍渗氮零件的工艺路线。
首先,将待渗氮的零件进行表面处理(如打磨、除油、除氧等),以提高零件表面的洁净度和平整度,为后续的渗氮工艺做好准备。
然后,将处理好的零件放入渗氮炉中,炉温通常设定在600至1050之间,具体的工艺参数要根据材料和产品要求进行调整。
在炉内,零件与盐浴的接触面需要保持良好的接触,通常使用专门的夹具将零件固定在工装上,确保零件与盐浴之间的充分接触。
然后,通过在炉内加热,使盐浴温度上升到设定的渗氮温度。
通常,盐浴中加入的氮源为氨气(NH3),通过在炉内引入适量的氨气,使氨气进入盐浴并与零件的表面发生扩散反应。
炉温和渗氮时间的选取要根据零件的材料、形状和应用环境等因素综合考虑,以确保形成的氮化物层具有所需的性能。
渗氮时间通常为数小时至数十小时,这个过程中要保持盐浴的温度和氨气的补充,以确保渗氮反应的充分进行。
渗氮结束后,需要进行冷却,通常采用快速冷却或缓慢冷却的方式,以避免产生过多的残余应力。
最后,渗氮结束后,需要对零件进行清洗去盐、搓洗等处理,以去除附着在零件表面的盐渍等污染物。
以上就是渗氮零件的工艺路线,通过这个工艺,可以使零件表面形成高浓度的氮化物层,提高零件的硬度和耐磨性,改善表面的摩擦性能和耐腐蚀性。
渗氮技术在机械制造、汽车工业、航空航天等领域有着广泛的应用前景,将为各行业提供更高质量的零部件。
渗氮的工艺——精选推荐

渗氮的⼯艺井式炉⽓体渗氮⼯艺操作预备处理确定原则:1.⼀般结构钢件⽤调质处理,⾼温回⽕温度应⽐渗氮温度⾼20~40ºC,保温时间不宜过长2.对冲击韧度值要求低的零件,可采⽤正⽕,但正⽕冷却速度要快,断⾯尺⼨较⼤的零件不得⽤正⽕3.38CrMoAl钢应采⽤调质,否则渗层中易出现针状氮化物,⼯、模具钢渗氮前,须经淬⽕、回⽕处理,不得⽤退⽕4.对细长、薄壁、复杂和精密的零件,渗氮前须进⾏⼀次或多次去应⼒处理,去应⼒温度⼀般低于调质回⽕温度,⾼于渗氮温度,如处理后变形超差,进⾏矫正后再次按原⼯艺去应⼒⼀次,直⾄变形量完全合格为⽌准备⼯作:1.设备准备1)渗氮前对控温仪表、液氨瓶、流量计、氨分解测定仪、各种管路系统做全⾯检查,保证设备的正常运⾏和使⽤,炉内温差应⼩于10ºC2)⼲燥剂常⽤氧化钙、氯化钙等,常⽤焙烧过的氧化钙,如失效应更换或烘⼲3)渗氮介质⽤⽔的体积分数⼩于0.2%的液氨为好4)根据零件的形状、尺⼨、质量和技术要求,准备好吊具,使⽤前应认真检查是否完好可靠,并清洗⼲净2.零件的准备1)渗氮零件的表⾯粗糙度Ra1.6µm以下,表⾯不得有拉⽑,碰伤及⽣锈等缺陷,不能及时处理的零件须涂油保护,以免⽣锈2)易畸变的零件,应预测畸变量,并做好记录3)试样的材质及预先热处理均与零件相同,试样尺⼨为ф(20~30)mm×(6~10)mm,试样3~5件,并编号放在有代表性的不同位置4)认真清洗零件,吊装⼊炉时,再⽤清洁汽油擦净,以保证零件的清洁度5)将清洗⼲净的零件装⼊渗氮炉中,对于易变形的细长杆件必须垂直吊挂,间距要均匀,不要堵排⽓孔,零件不得超出有效加热区的范围⼯艺规范的确定:1.渗氮温度1)常⽤500~530ºC,能保证氮化物有较⼤的弥散度,硬度最⾼2)随渗氮温度升⾼,渗层深度增加,⽽硬度显著降低,⼤于550ºC渗氮,多数钢种的最⾼硬度低于1000HV3)⽤两阶段或三阶段渗氮时,第⼆阶段的温度常低于560ºC2.渗氮时间1)渗氮层随渗氮时间延长⽽增厚。
渗氮处理及工艺,总结的挺全面

渗氮处理及工艺,总结的挺全面渗氮又称氮化,指使氮原子渗入钢铁工件表层内的化学热处理工艺,其目的是提高零件表面硬度和耐磨性,以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。
它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子,被零件吸收后在其表面形成氮化层,同时向心部扩散。
氮化通常利用专门设备或井式渗氮炉来进行。
气体渗氮在1923年左右,由德国人Fry首度研究发展并加以工业化,目前渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善,适用的材料和工件也日益扩大。
由于经渗氮处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、耐高温性、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力,并降低缺口敏感性,与渗碳工艺相比,渗氮温度比较低,因而工件畸变小,已成为重要的化学热处理工艺之一,广泛应用于机械、冶金和矿山等行业的齿轮、凸轮、曲轴、工具、冷作模具、热作模具等零件和产品的表面处理。
一、氮化常用材料传统的合金钢材料中的铝、铬、钒及钼元素在渗氮过程中,与初生态的氮原子接触时,就能生成安定的氮化物,尤其是钼元素,不仅是生成氮化物元素,还能降低在渗氮时所产生的脆性。
其他合金钢中的元素,如镍、铜、硅、锰等,对渗氮特性并无多大的帮助。
一般而言,如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素,氮化后的效果比较良好。
其中铝是最强的氮化物元素,含有0.85~1.5%铝的渗氮结果最佳,如果有足够的铬含量,亦可得到很好的效果,没有含合金的碳钢,因其生成的渗氮层很脆,容易剥落,不适合作为渗氮钢。
二、渗氮过程控制1.渗氮前的零件表面清洗通常使用气体去油法去油后立刻渗氮2.排除渗氮炉中的空气将被处理零件置于渗氮炉中,并将炉盖密封后即可加热,但加热至150℃以前须作排除炉内空气工作。
排除炉内空气的主要目的是使参与渗氮处理的气体,只有氨气和氮气两种气体,防止氨气分解时与空气接触而发生爆炸性气体,及防止被处理零件及支架的表面氧化。
3.氨的分解率渗氮是其它合金元素与初生态的氮接触而进行(初生态氮的产生,由氨气与加热中的零件接触时零件本身成为触媒而促进氨的分解),虽然在各种分解率的氨气下,皆可渗氮,但一般都采用15~30%的分解率,并按渗氮所需厚度保持4~10小时,处理温度保持在520℃左右。
离子渗氮的工艺操作及注意事项

离子渗氮的工艺操作及注意事项1.同炉处理的零件应为同种或表面积和质量之比接近的零件。
零件至阳极的距离应大致相等,并大于30mm,零件之间应有足够大的距离并要求均匀,在零件偏低位置放置辅助阴极或辅助阳极,安放试样时应考虑温度,尽量和零件一致。
2.零件上有1~4mm孔槽易引起打弧,ф4~ф10mm的孔槽会造成温度不均匀,锈蚀零件清洗干净后方可入炉。
3.零件装炉后,密封炉盖和放气嘴,接通阴阳极导线。
预热并校正真空计,氨气热分解炉应提前升温。
4.起动真空泵使炉子逐渐达到要求的真空度,并打开气阀充入少量的热分解氨气,使炉压在1.3~13.3Pa左右。
5.闭合高压开关,慢慢升高电压,使零件起辉。
清理阶段开始,一般宜用低气压小电流,高电压、高档限流电阻,清理阶段正常为扩散弧。
但零件装卡不当,接触不良,小孔槽未屏蔽及表面大块状油污,绝缘物引起局部电弧损伤零件,起辉后1~2h仍在打弧不减弱,说明不正常,应分析原因或停炉。
6.打散弧清理结束后,转入升温阶段,逐渐加大供NH3量,提高电流、电压加速升温,对精密件变形要求严格件,升温速度小于100C/h。
当温度升到200~400 ℃时,孔洞和勾槽中的机油挥发也会引起打弧,弧点集中在孔槽周围,打弧断续相同,此时可适当减小电压、气压,使打弧电流减小,待油挥发干净后,打弧即会停止。
7.如在某个部位集中打弧,无停止迹象,可调节气压,并判明不打弧的最高气压能否维持零件升温和保温的需要,如能维持保温,可继续渗氮,如不能就停泵,打开炉膛,清除打弧源后,再重新抽真空升温。
8.当炉壳温度升到35 ℃时,开始通冷却水,冷却水出口温度应低于55℃。
9.升温时,应随温度升高,不断增加输入气体的流量或减少抽气率或加高气压,升温时间通常控制在0.5~3h,升温时的电流密度应控制在4~5Ma/cm。
10.保温阶段,电流密度比升温时小,可以通过调节气压、电压、氨分解温度等使电流密度一定,工作温度稳定。
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渡区 2甚至测不 到硬化层 , 针对各 区域硬化 效果 , 经分析我们
对 4个 参数 作 了凋整 : ①延长感 应器在初始加 热位置的停 留
时间 ; ②在过渡区 2设定 停 留时间 ; ③增大输 出功率 : ④放慢 感应器上升速度 . 频率不 变 :经调整后 试样 2的试 验结 果表
长轴 薄壁 零件 离子渗氮 工 艺 改进
钱书琨 黄桂德z , ( .湖南大 学衡 阳舟棱 , 1 湖南 衡 阳 4 10 ; . 阳探矿 机械 厂 , 2 112 衡 准南 衡 阳
I n Nir d ng o ng S a tPa t t o t i i fLo h f r swih Thi a I nW I
表 1 中频感应淬火主要工艺参数
T b e 1 M an p r me es0 d fe e c a l i a a tr fmi・r qu n y i d ci n h r e i g n u t a dn n o
堡 些星塑垦
环形区宽 度 过渡区 1 圆柱区 过渡 区 2 花键 区
现在敏感 区容易产生微细裂纹 :
参考文献 : 由表 2中看 出, 试样 1 实测硬化层 深度均达不到要求 . 过
[ ] 中国机械 l L _ 程学会热处理专 业委员会《 热处理 手册Байду номын сангаас 编委会 热 处理手册 ( 1 : 北京 : 第 卷) M] 机械工业 出版社,9 1 2 3 1 19 :1 - 4 2
高到 4 ~5 H C(5 ~50 7 3 R 4 0 5 HV) 。要达 到该 硬度要求 , 必颓 采用其它先进 工艺才 能同时满 足硬度和挠度要 求。离子渗 氨 具有周期短 、 变形 小 、 耗能 小 、 无公 害, 叉可在 鞍低 温度 下进
豳
1 工 艺及操 作 要 点
图 l 钻机立轴零件 图
与使用要求相 同 , 现 x y型钻 机为例 说 明热处 理 工艺 x y
钻机立轴如 图 1 示 , 所 材料 为 如8m1 4ml 4C 钢 管 i r ×1n 的 O t 材, 采用 常 规 调质 处 理后 . 求 硬度 为 2 要 6~3 H C( 6 ~ 0 R 21 2 9 )挠 度≤O I m:经机加工后 , 8 HV , r a 能选到 图纸技术要求 : 但 因立轴与立轴套要 配合运 动 , 而硬度 又差不多 , 没用几 天 . 多的也只有 1 ~2个月就 吱死不能 转动。故将立轴 的硬 度提
维普资讯
加人添加剂 , 配成浓 度 为 5 %~8 %淬火 冷却液 . 采用 喷射 冷 却, 所用 的喷 液圈外径 、 内径 、 高度分别为  ̄ 0 ra ×4 0 n 【 50nl 4 0 I u ×10 m ̄喷射 面上均 布 许多 直径为  ̄ n 的喷射 孔 . 火 0n , 2ml 淬
加 工( 螺纹不加工 ) 一离子 渗氮一磨轴承位一精车螺纹。其 中 的调质工 艺为 :6 " ×( . ~ 15 mi/ma 80 C 1 2 .) n n 油冷 +602x 2 1
25 h回火 , 调质 后硬 度为 2 ~3 HR (6 ~2 9 V) 6 0 C 2t 8H 。
作者简介 : 钱书琨 (96 )男 . 14 . 湖南衡阳』. 、高级工程师 . 主要从事模
在继续微 调个别参数后 , 进行 批量试 制和 生产 , 抽检 的 全部指标台格 。通过不 断改进和 生产试验表 明 , 设备 各项参 数稳定可靠 , 产品质量达到了国外 原厂标准
5 谇 青 占 淬火液浓度必 颓定 期检测 , 及时补充清理 , 免 日常蒸发
及油污混人等影 响 硬化效 果。当浓度低 于 2 %时 , 经试 验发
4 10 ) 2 10
2 He g a g Prs e t g Ma hn r o k , n y n ’ a 4 1 0 C ia . n y n o p ci c ie yW rs He g a g Hu D n 2 1 0, hn ) n 中国分类号 :"1 4 44 1 7 .4 G 文献标识码 : B 文章编号 :2 465 (0 20 ・0 70 05 -0 1 20 )30 4 ・2 x 及 x . 型钻机 立轴属长轴薄壁类零件 , y v1 零件技术要求
Fz 1s ] mal o h e t a h f rln c ie i cl tc ft ev ri l ato d iig mahn e c s f l
4 C 钢立轴的制造工艺路 线为 : 0r 下料一 毛坯凋质一 机械
行 . 可以通过调整渗氮气 氛有效控制 渗氮组织 和 眭能等特 并 点 现将立 轴改进后 的热处 理工艺介绍如下。
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( . n y n r n h o ’ a ie s y Hm ca g Hu n n 4 1 0 , h n ; 1 He g a g B a c f Hu D nUnv ri ,  ̄y n ’ a 2 1 1 C ia t
具 设 计 与热 处 理 研 究 及 教 学 工 作 , 发 表 论 文 1 已 8篇 联 系 电 话 :
明效 果 良好 表 2 硬 化 层深 度测 试 结 果 q be T s rsl fhree  ̄ t [ l 2 et etto adnd,ph a ls
为 8 n 的致密 冷却 带 , 0 ml 从而获得 良好的冷却效果 :
4 工艺参数及 结果
感应器及工件安 装完后 , 调整感 应器底部 与工件环形 面 问踪为 2m1频率 为 3 5 H , 它工 艺参数见表 1 i r . .k z其 。