第六章-表面渗氮.
第六章钢热处理分析
第六章钢的热处理、名词解释1热处理： _______________________________________________________________ 2等温转变： _____________________________________________________________ 3连续冷却转变： _________________________________________________________ 4马氏体： _______________________________________________________________ 5退火： _________________________________________________________________ 6正火： _________________________________________________________________ 7淬火： _________________________________________________________________ 8回火： _________________________________________________________________ 9表面热处理： ___________________________________________________________ 10渗碳：________________________________________________________________二、填空题1、整体热处理分为________ 、____________ 、 _________ 、和___________ 等。
2、根据加热方法的不同，表面淬火方法主要有____________________ 表面淬火、_________________ 表面淬火、______________ 表面淬火、 _______ 表面淬火等。
渗氮及氮化处理
渗氮渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。
常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。
传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。
如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。
常用的是气体渗氮和离子渗氮。
原理应用渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。
这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、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，因而畸变小，但由于心部硬度较低，渗层也较浅，一般只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有一定耐热、耐腐蚀要求的机器零件，以及各种切削刀具、冷作和热作模具等。
渗氮有多种方法，常用的是气体渗氮和离子渗氮。
钢铁渗氮的研究始于20世纪初，20年代以后获得工业应用。
最初的气体渗氮，仅限于含铬、铝的钢，后来才扩大到其他钢种。
从70年代开始，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，成为重要的化学热处理工艺之一。
气体渗氮一般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的表面硬度。
它适用于38CrMoAl等渗氮钢。
渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。
渗氮温度低，工件畸变小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。
但由于渗氮层较薄，不适于承受重载的耐磨零件。
气体参氮可采用一般渗氮法（即等温渗氮）或多段（二段、三段）渗氮法。
前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。
温度一般在480～520℃之间,氨气分解率为15～30%,保温时间近80小时。
渗氮 渗碳 碳氮共渗
渗氮渗碳碳氮共渗碳氮共渗是一种常见的表面处理技术，通过渗碳和渗氮来改善材料的硬度和耐磨性。
本文将对渗氮、渗碳和碳氮共渗的原理、应用和工艺进行详细介绍。
一、渗氮渗氮是将氮原子渗入材料表面形成氮化物层的过程。
氮原子通过高温处理和氮气氛的作用，渗透到材料表面并与材料中的元素反应，形成硬质氮化物层。
这一薄层氮化物层不仅能提高材料的硬度和抗磨损性能，还能改善材料的耐腐蚀性。
渗氮的主要应用领域包括机械制造、汽车工业、航空航天等。
在机械制造中，渗氮可以增加零件的硬度和耐磨性，延长使用寿命；在汽车工业中，渗氮可以提高引擎零件的耐磨性和抗腐蚀性能；在航空航天领域，渗氮可以增强航空发动机部件的耐高温和耐磨性能。
渗氮的工艺流程一般包括清洗件表面、装配件和炉内预处理、渗氮和回火处理等步骤。
渗氮一般采用封闭式和开放式两种方式进行，根据具体应用需求可以选择合适的渗氮工艺。
二、渗碳渗碳是将碳原子渗入材料表面形成碳化物层的过程。
碳原子通过高温处理和含有碳气体的氛围，渗透到材料表面并在表面与材料中的元素反应，形成硬质碳化物层。
渗碳技术不仅能提升材料的硬度和耐磨性，还可以改善材料的断裂韧性和抗腐蚀性。
渗碳广泛应用于机械零件、钢铁制品等领域。
渗碳后的材料表面硬度高、耐磨性好，适用于制作耐磨零件，如轴承、齿轮等；同时碳化层的外表面与空气隔绝，降低了材料的腐蚀速率，提高了零件的使用寿命。
渗碳的工艺流程包括预处理、渗碳、淬火和回火等。
渗碳一般采用气体渗碳和液体渗碳两种方式进行，具体工艺参数可以根据材料的要求进行选择。
三、碳氮共渗碳氮共渗是将碳原子和氮原子同时渗入材料表面形成碳氮共渗层的过程。
碳氮共渗通过碳氮共渗剂和高温处理，使碳原子和氮原子分别与材料中的元素发生反应，形成硬质碳氮化物层。
碳氮共渗能够同时获得渗碳和渗氮的特性，提高材料的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。
碳氮共渗广泛应用于汽车工业、航空航天等领域。
在汽车工业中，碳氮共渗可以提高零部件的硬度和耐磨性，同时还可以提高零部件的抗磨损能力和抗腐蚀性；在航空航天领域，碳氮共渗可以增强发动机部件的抗高温性能和抗腐蚀能力。
渗氮
渗氮求助编辑渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。
常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。
传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。
如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。
常用的是气体渗氮和离子渗氮。
目录编辑本段一般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的表面硬度。
它适用于38CrMoAl等渗氮钢。
渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。
渗氮温度低，工件畸变小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。
但由于渗氮层较薄，不适于承受重载的耐磨零件。
气体参氮可采用一般渗氮法（即等温渗氮）或多段（二段、三段）渗氮法。
前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。
温度一般在480～520℃之间,氨气分解率为15～30%,保温时间近80小时。
这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长。
多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同温度、不同氨分解率、不同时间进行渗氮和扩散。
整个渗氮时间可以缩短到近50小时，能获得较深的渗层，但这样渗氮温度较高，畸变较大。
还有以抗蚀为目的的气体渗氮，渗氮温度在 550～700℃之间,保温0.5～3小时，氨分解率为35～70%，工件表层可获得化学稳定性高的化合物层，防止工件受湿空气、过热蒸汽、气体燃烧产物等的腐蚀。
正常的气体渗氮工件，表面呈银灰色。
有时，由于氧化也可能呈蓝色或黄色，但一般不影响使用。
编辑本段离子渗氮又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。
把金属工件作为阴极放入通有含氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮氢原子被电离，在阴阳极之间形成等离子区。
在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击。
渗氮工艺-高能效热处理
作者:赵家萍页数:201出版日期:1992年09月第1版SS号:10952104简介:高等学校教材:本书内容包括:高能率加热和高能率热处理、感应热处理、激光与电子束热处理、电化学热处理等6章。
4.2 渗氮概述渗氮(Nitrating)，亦称氮化，是指将钢铁材料在氨气流中加热到500℃左右，使氮原于渗入钢铁的表面，生成硬化层之后，不必再进行热处理，所以零件变形小，硬度高(可高达HV950—1200)，大幅度地提高了耐磨性、抗疲劳性、耐蚀性以及热稳定性。
常见的渗短工艺分类见表4–2–l。
一渗氮的基本厕理1 渗氮层相及其形成图4–2–l是Fe—N相图。
从图中可见，它可以生成多种相见(表4–2–2)。
α相是氮在α–Fe中的固溶体，也称含氮铁素体。
与含碳铁索体相比，不仅最大溶解温度不同，最大溶解度差别也很大(见图4–2–2)，氮的最大溶解度(590℃)可达0.1％，而碳的最大溶解度(723℃)仅0.022％。
这样决定了渗氮在α区进行可得到含量较高的固溶体而不生成化合物。
与Fe—C相图一样，再升高温度生成含氮奥氏体(γ)，在650℃时最大镕氮量可达2.8％，也大于1150℃左右的溶碳量。
共析点含氮量为2.35％，也远高于Fe—C合金中的共析含碳量。
当含氮量再增加时生成γ´相，γ´相是一种可变成分的间隙相，其代表化合物是Fe4N，含擞量为5.9％，且在5.7—6.1％范围内变化，氮原子是有序地占据着由Fe 原子组成的面心立方晶格间隙。
这种化合物当超过680℃后将溶入ε相中。
在680℃以下有两个共析反应：650℃的ε→γ十γ´，590℃的γ→α十γ´，后者类似于Fe—C合金中的共析转变，生成物也与珠光体相似，称之为勃氏体。
ε相是以氮化物Fe2~3N为基的固溶体，其含氮量在4.55—11.0％之间变化，它是密排六方晶格。
ζ—相也是密排六方晶格，是以Fe2N为基的固溶体，含氮在12.1—11.35％之间变化，但在500℃以上转变成ε相。
表面渗氮金相组织的研究
表面渗氮金相组织的研究摘要：以Fe-N相图、氮化物晶体结构及相变平衡态为依据，研究分析了渗氮过程中形成的各种间隙化合物、γ相的转变组织以及α-Fe 相中的析出组织的结构特点，并分析了各种相的生长机理及影响因素。
大量图片及数据为实现对渗氮过程中形成的各种金相组织进行判定，提供了依据，并弥补了目前行业内渗氮过程中氮化物金相组织结构研究数据较少的状况。
01前言钢铁零件在一定温度的可释放活性氮原子的介质中保温一定时间，使其表面渗入氮原子的过程叫作钢的渗氮或氮化。
自1923年，被德国人应用在钢铁上以来，渗氮工艺是目前对零件进行表面强化处理而广泛采用的技术之一。
相对于常用的渗碳工艺，该工艺热处理温度低、畸变小，可明显提高零部件的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳性和抗咬合能力，有效延长了零部件的使用寿命。
由于这些优点，渗氮处理广泛应用在汽车、船舶、航空等机械部件的生产中。
随着工业技术的发展，对工件表面强化的要求越来越高，渗氮工艺的种类也越来越多。
但由于钢中含有不同程度的铝元素，形成的非金属夹杂具有过热敏感性，使渗氮层表面脆性增大，易发生剥落或开裂，同时，为了控制渗氮层的厚度以及渗氮层的致密性，对表面氮化层金相组织生长机理进行研究，以实现对不同工艺参数的调控，并弥补目前行业内对异常氮化组织生长机理缺少大量数据的现状，具有十分重要的意义。
02氮化相变机理通常以气体、熔盐或颗粒为氮化剂，工件表面渗氮或碳氮共渗一般采用480～590℃，硬度达到68～72HRC。
随着技术的发展，国内外开发出低温渗氮工艺，同时又为增加渗氮层厚度，提高渗氮效率，研究出表面纳米化的低温渗氮、循环渗氮、活性屏离子低温渗氮等。
依据Fe-N相图（图1），592℃时发生共析相变，γ-Fe（N）→α-Fe （N）+γ′-Fe（N）有奥氏体产生；650℃时发生共析相变，ε→α-Fe（N）+γ′-Fe4N在渗氮过程中，不同温度、不同氮浓度等参数下，会形成不同的相组织，各种不同相组织及化学式如表1所示。
机械制造技术基础第六章 习题及答案
第六章习题一.单项选择题1.退火处理一般安排在； ( )a、毛坯制造之后b、粗加工后c、半精加工之后d、精加工之后2.轴类零件定位用的顶尖孔是属于： ( )a、精基准b、粗基准c、辅助基准d、自为基准3.加工箱体类零件时常选用一面两孔作定位基准，这种方法一般符合 ( )a、基准重合原则b、基准统一原则c、互为基准原则d、自为基准原则4.合理选择毛坯种类及制造方法时，主要应使 ( )a、毛坯的形状尺寸与零件的尽可能接近b、毛坯方便制造，降低毛坯成本c、加工后零件的性能最好d、零件总成本低且性能好5.自为基准多用于精加工或光整加工工序，其目的是： ( )a、符合基准重合原则b、符合基准统一原则c、保证加工面的形状和位置精度 d、保证加工面的余量小而均匀6.调质处理一般安排在： ( )a、毛坯制造之后b、粗加工后c、半精加工之后d、精加工之后7.精密齿轮高频淬火后需磨削齿面和内孔，以提高齿面和内孔的位置精度，常采用以下原则来保证 ( )a、基准重合b、基准统一c、自为基准d、互为基准8.淬火处理一般安排在： ( )a、毛坯制造之后b、粗加工后c、半精加工之后d、精加工之后9.在拟定零件机械加工工艺过程、安排加工顺序时首先要考虑的问题是 ( )a、尽可能减少工序数；b、精度要求高的主要表面的加工问题；c、尽可能避免使用专用机床；d、尽可能增加一次安装中的加工内容。
10.零件上孔径大于30mm的孔，精度要求为IT9，通常采用的加工方案为( )a、钻-镗b、钻-铰c、钻-拉d、钻-扩-磨11.编制零件机械加工工艺规程、生产计划和进行成本核算最基本的单元是( )a、工步b、工位c、工序d、走刀12.零件在加工过程中，粗基准一般选择： ( )a、工件的毛坯面b、工件的已加工表面c、工件上的大平面13.单件小批生产装配精度要求高组成环多应选（）法装配。
a、完全互换法b、分组互换法c、调整法d、修配法14.若装配精度要求高组成环少（3环）大批量生产时应选（）法装配。
渗氮处理
单体内
600以下
600以上
45
60
同一批次
600以下
600以上
70
100
窒化处理后的化合物层厚度（均匀性）一般满足以下要求： 单位：um
化合物层深度
单体内
深度偏差
同一批次
5以下
2
3
5-10 10-20 20以上
4
5
6
7
8
10
参考JIS B 6915:1998
谢谢！Leabharlann 铜箔 氮化层芯材膜厚块
金相分析仪
化合物层厚度
主要是Ｆe3N及少量Fe4C
S45C系列用３％硝酸（HNO3）＋９７％乙醇（C2H6O）溶液腐蚀 SUM系列用五水硫酸铜(CuSO4.5H2O)＋盐酸（HCl）溶液腐蚀
窒化处理后的样品硬度（均匀性）一般满足以下要求： 单位：um
HV 实际值
HV(max-min)
气体渗氮技术流程
表面清 洗
气体去油，氧 化铝粉将表面 作喷砂处理
二选一
表面加以磷 酸皮膜处理
加热
同时进行
排除空 气
渗氮炉
渗氮处理
（520C。左右， 4-10h）
氮化处理 冷却
热交换机 启动
气体渗氮的三种方法
一段式渗氮法
等温渗氮也称一段式渗氮法。 它是在恒温下进行长时间保温的 渗氮工艺，渗氮温度510~530℃， 其渗氮工艺曲线如图所示。
特点：三段式渗氮能进一步提高渗氮速度，但硬度比一般渗氮工艺 低，脆性、变形等比一般渗氮工艺略大。
渗氮注意事项
(1)渗氮前的预备热处理调质--渗氮工件在渗氮前应进行调质处理,以 获得回火索氏体组织.调质处理回火温度一般高于渗氮温度. (2)渗氮前的预备热处理去应力处理--渗氮前应尽量消除机械加工过 程中产生的内应力以稳定零件尺寸.消除应力的温度均应低于回火温 度,保温时间比回火时间要长些,再缓慢冷却到室温.断面尺寸较大的 零件不宜用正火.工模具钢必须采用淬火回火,不得用退火. (3)渗氮零件的表面粗糙度Ra应小于1.6um,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.吊装入炉时 再用清洁汽油擦净以保证清洁度. (4)含有尖角和锐边的工件,不宜进行氮化处理. (5)局部不氮化部位的保护,不宜用留加工余量的方法. (6)表面未经磨削处理的工件,不得进行氮化
渗氮工艺
渗氮渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。
常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。
传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。
如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。
常用的是气体渗氮和离子渗氮。
目录原理应用气体渗氮离子渗氮氮碳共渗辉光离子氮化渗氮前的处理渗氮前的生产准备原理应用渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。
这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、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，因而畸变小，但由于心部硬度较低，渗层也较浅，一般只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有一定耐热、耐腐蚀要求的机器零件，以及各种切削刀具、冷作和热作模具等。
渗氮有多种方法，常用的是气体渗氮和离子渗氮。
钢铁渗氮的研究始于20世纪初，20年代以后获得工业应用。
最初的气体渗氮，仅限于含铬、铝的钢，后来才扩大到其他钢种。
从70年代开始，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，成为重要的化学热处理工艺之一。
气体渗氮一般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的表面硬度。
它适用于38CrMoAl等渗氮钢。
渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。
渗氮温度低，工件畸变小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。
但由于渗氮层较薄，不适于承受重载的耐磨零件。
气体参氮可采用一般渗氮法（即等温渗氮）或多段（二段、三段）渗氮法。
前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。
第六章 表面改性
表面张力 18↗50 mN/m
污染问题
2.气体热氧化法
PO 经空气、O2 O3氧化后，引入了-OH、 -C=O、-COOH→↗印染性、粘结性、涂饰性
要求：设备与材料形状匹配，使用受到限 制
3.火焰处理法
机理： a 驱赶低分子物，清洁表面，清除弱边界
层 b 高温火焰下，引入-C=O、-COOH、-COOR ↗表面张力 应用：大而厚制品的表面处理，T高达
3.分类
是否发生化学反应：
表面机械改性 表面物理改性： 表面涂覆改性
表面真空镀、溅射、喷射 表面物理沉积
表面火焰改性 表面溶液处理 表面放电、射线辐射 表面化学改性：表面电镀、离子镀 表面接枝 表面渗氮 表面化学气相沉积 ……
按改性过程体系的存在形态
按表面是否增加化学物质
未增加其它物质： 机械、放电、溅射、射线辐射
2800℃
4.电晕处理
电晕处理，也称火花处理，是将2—— 100kV，2——10kHz的高频高压施加于 放电电极上，以产生大量的等离子气体 及臭氧，与聚烯烃表面分子直接或间接 作用，使其表面分子链上产生碳基和含 氮基团等极性基团，表面张力明显提高， 加之糙化其表面，从而改善表面的粘附 性，达到表面预处理的目的。
②非极性高分子—印墨、粘合剂吸附在表面
③结晶度高。化学稳定性好，溶胀溶解困难， 溶剂很难使高分子链成链或扩散、缠结
④表面存在弱边界层：杂质、助剂、污染等 外因
改性方法
表面改性的设计思路
①提高材料的表面能; ②在聚烯烃等难粘高分子材料表面的分子
链上引入极性基团; ③提高制品表面的粗糙度; ④消除制品表面的弱边界层。
③表面元素