最新钢的渗氮技术及检验
节能复合热处理技术及其应用分析
节能复合热处理技术及其应用分析 发表时间：2018-12-18T10:20:42.273Z 来源：《防护工程》2018年第26期作者：胡燕 [导读] 热处理是机械工业中重要的工艺技术，对发挥金属材料属性潜力，提升产品质量有着重要作用。 四川航天烽火伺服控制技术有限公司 611130 摘要：热处理是机械工业中重要的工艺技术，对发挥金属材料属性潜力，提升产品质量有着重要作用。本文着重对节能复合热处理技术与应用进行简要分析，基于现有设备的基础上通过节能复合热处理形式加工构件，不仅确保了工件质量又实现节能，达到热处理和节能环保的协调利用。 关键词：节能复合热处理技术；应用方法；研究分析 复合热处理并非某种热处理技术的叠加，而是结合构件应用属性需求与各种热处理技术特征的融合，实现互补，值得进一步推广应用。节能复合热处理技术技术工序简单、热处理时间短，有助于能源节约，缩减三废排放，提高复合热处理效果及应用价值。 一、表面合金化和淬火工艺复合 （一）淬火与氨化 合金化指的是构件渗碳、碳氮共渗、氨化、渗硼，随后加入热淬火，可适当降低淬火加热所需能源，有助于提升材料效果。首先，淬火与氨化。淬火与氨化复合处理技术起源于国外，叫做NDUR法。热处理技术对淬火的最高要求为硬度高、无变形裂缝，外层为残余压应力状态。实质上，完全淬透的刚表层存在拉应力。这主要是因为淬火冷却生成马氏体后，表层最先冷却至Ms点，但马氏体和过冷奥氏体比容有明显差异，心部承载压应力、表层承载拉应力。因为表层存在拉应力，导致完全淬透的构件疲劳强度减少。构件氮化后淬火主要因为表层渗入氮让Ms点缩小，表层冷却迅速，表层和心部比较，马氏体转变较晚。因为表层和心部变换顺序发生了变化，导致表层出现残余压应力能够提升构建疲劳强度。经过实践证明，这种处理方法能够提升构件生命周期5--6倍。若氮化淬火后展开冷处理，让表层的马氏体完全转变那么表层残余压力就会增加，强化效果理想。 （二）氮碳共渗与总体淬火 结合合金相变原理，氮碳共渗后的合金在奥氏体化阶段，氮化物逐渐分化，氮原子逐渐由心部分散生成固溶体。工件通过氮碳共渗后加热至临界点温度后淬火，淬火时把合金组织内生成氮碳的马氏体，当构件表层存在参与压应力后可以提升构件耐磨性与疲劳强度。 （三）高频淬火与氮碳共渗 以往热处理强调工构件氮碳共渗后不可再进行热处理，而事实上氮碳共渗后展开高频淬火能够提高疲劳强度。实践证明，中碳钢利用该种方法的后，相对于单纯高频淬火其强度可以提升至15%。这是因为氮碳共渗的构件外层具有氮化层，通过高频淬火表层的氮化物逐渐分分解，此时得到马氏体与剩余奥氏体组织。通过三种热处理工艺硬度分析得出：复合处理的硬化层硬度高于单纯高频淬火，单纯高频淬火硬化层与心部连接位置硬度变化加剧。当利用氮碳共渗和高频淬火复合处理的构件，硬度变化逐渐趋于平缓，提升了疲劳强度。因此，进行高频淬火构件复合处理有助于提升构件应用性能，挖掘材料潜力，便于提升表层硬度、疲劳强度。 （四）高频淬火与氮化 氮化是一种表层强化的技术，氮化层只有0.2--0.5mm，机械生产时往往需要先进行氮化后再进行精加工。现实加工中可以看出：尽管氮化层硬度提高，不过表层过薄且脆，影响氮化件应用。若氮化后展开高频加热淬火，高频加热过程中表层氮原子把向心部基体分散，有助于消解氮化白亮层，提高柔韧性。此外，淬火也有助于获得固溶氮的细微马氏体，提升了构件硬度。因此，应用较强的基体能有助于氮化层作用发挥与利用。 二、表面化学热处理的复合 第一，渗碳淬火与低温渗硫。通过实验可知，金属构件渗碳淬火后在回火时渗入硫原子有助于提高润滑性，提高构件表面咬合度与耐磨性。因为低温渗硫和低温回火流程融合，不仅提升了产品属性又减少了能源消耗，两全其美。第二，低温渗硫和氮化。结合氮化处理技术，氮化处理有助于让合金得到较强的表层，氮化后复合为低温渗硫，也有助于提高构件表层耐磨效果与润滑效果，增强构件使用价值。第三，低温渗硫与高频淬火。高频淬火的主要作用是提升合金构件的耐磨效果与疲劳强度，并且可以提升硬化表层潜力。低温渗硫能够和高频淬火后的低温回火技术融合，具有节能作用。 三、淬火处理与不同回火温度的化学热处理 淬火构件通常要求经过回火处理改善其属性，融合不同种类的回火达到应用需求。关于不同温度回火的构件想要让其和化学热处理融合无法提升能源消耗与性能提高，软氮化是一种以渗氮为核心的低温碳氮共渗，钢的氮原子渗透过程中会有部分碳原子进入。相对于常规气体氮比较，渗层硬度低、脆性低，因而叫做软氮化。第一，软氮化与调质。调质处理选择高温回火，回火温度控制在500-650℃满足氮碳共渗处理温度要求。因此，调质时进行氮碳共渗中生成表层具有耐磨性与耐疲劳性。第二，调质与硫氮共渗。硫氮共渗一般是在550--570℃下，因为硫与氮共同深入构件表层，提升了构件耐磨性与抗疲劳选哪个，表层润滑，提升了合金构件的抗胶合水平。所以，调质处理的碳钢展开调质与硫氮共渗融合也具有节能效果。第三，分级淬火与氮碳共渗。因为钢制构件通过氮碳共渗后可以让构件表层具备耐磨、抗腐蚀的渗层，高速钢热导性差，淬火加热过程中为降低热应力，避免变形建议使用分级淬火。这种方法简化了加工流程、提升使用率，把氮碳共渗和分级淬火融合是一种理想的处理方法。 结语 综合分析，复合热处理作为一种复合型工艺技术可以开发材料潜力，提高构件性能与应用效果，最为重要的是节约能源、成本突入少、生产效率高。现阶段，常见的复合表面热处理工艺包含：等离子喷涂+激光表面改性复合、离子注入+气相沉积复合、激光淬火+化学热处理复合等，应用效果显著。 参考文献 [1]周吓星,苏国基,陈礼辉.竹粉热处理改善竹粉/聚丙烯复合材料的防霉性能[J].农业工程学报,2017(24). [2]刘鹏,陈登福,何文杰,龙木军,段华美,谭锴.Ni/Al_2O_3复合镀层中Al_2O_3微粒尺寸及热处理对镀层性能的影响[J].表面技
中国古代的钢铁渗碳和渗氮技术全解
中国古代的钢铁渗碳和渗氮技术 我国是最古老的文明古国之一,在金属热处理技术发展史上,我国古代先民做出过杰出的贡献,取得了许多伟大的成就。在化学热处理方面,我国先民依靠自己的聪明才智,发展了多种工艺,包括渗碳、渗氮、碳氮共渗等。这些技术的发展,推动了我国古代金属材料的应用和对材料的表面改性,形成了具有特色的古代热处理技术。本文在文献史料和考古成果综合分析的基础上,力图反映我国古代钢铁渗碳和渗氮技术状况,并提出一些分析见解,以求同行较全面准确地认识古代化学热处理的发展历程。限于热处理考古属交叉领域,不当之处在所难免,望予以指正。 1 钢铁渗碳技术 1．1 固体渗碳 固体渗碳是将工件埋入固体渗碳物质中进行处理的工艺,它是最古老的热处理技术之一。从公元前18世纪一直到18世纪,固体渗碳都是西方钢铁增碳的主流手段。因此在国外产生了多种不同的固体渗碳工艺,大体可分为灼烧法、焖熬法和层叠法。其渗碳工艺水平相当高,甚至在17世纪以后还开发出固体渗碳专用的窑炉和箱式炉。我国古代除了拥有传统的灼烧法固体渗碳方法以外,古文献中还描述了焖熬法固体渗碳方法。
1．1．1 灼烧法固体渗碳 一般认为人工冶铁的发源地是两河流域北部、土耳其及其附近地区。该地有很多的铁矿,而铜矿又较少。在靠近土耳其的Changar Ba zar镇出土的匕首柄,其年代可定为公元前2700年以前。而根据报道,在Gizeh的大金字塔内遗存一块铁板,使人工冶炼金属铁板的年代提前到公元前2761年以前。这些人工冶铁器件是将铁矿石还原后经锻接的产物。人工冶铁的初级产品是海绵铁,它是由铁矿石在约1200℃的木炭火的温度下还原出来的,海绵铁是杂质含量很高的松散、柔软的金属块,其杂质主要有未还原的氧化铁、铁橄榄石、木炭粉等,为了用它制作器物,只有将其反复加热锻打、去渣、聚块、分散杂质后,才能获得可以造型的熟铁,这种熟铁通常被称为块炼铁。海绵铁的加热往往是在灼热的木炭中进行,其时铁被埋在木炭之间,在铁的作用下,未完全燃烧的一氧化碳发生分解,分解的活性碳形成高的碳势,铁在碳势气氛中,自然而然地被渗碳。这种不自觉的固体渗碳可以认为基本是与块炼铁同时出现的,可以说这是金属化学热处理的开端。 对中国冶铁术的起源年代有很大的争议,迄今为止,我国发掘的年代最久远的块炼铁制品可能是新疆哈密三堡焉不拉克墓地出土的公元前1300年的弧背直刃刀。我国出土的较早的铁器还有和静察吾乎沟口一号墓地中出土的公元前1000年左右的铁器残片和河南三门峡市上村岭虢国西周晚期墓葬中发掘出土的公元前9至8世纪的铜茎玉柄铁剑等。也就是说在我国不自觉地应用固体渗碳工艺可能始于公
金属表面渗氮技术及其工业上的应用
金属表面渗氮技术及其工业上的应用 课程：腐蚀与材料保护 主讲老师: 陈存华 院系：化学学院 专业：应用化学 学号： 2010214131 姓名：张伟 华中师范大学化学学院 2012年12月
金属表面渗氮技术及其工业上的应用 前言： 金属表面的渗氮技术是为了改善材料表层硬度和耐磨性的表面改性技术，经过古代到现代多年的发展，传统的渗氮技术逐渐被现代渗氮技术所取代。本文对多种渗氮技术做了相关的介绍，并就一些基本知识做一个相关概述。重点介绍了离子渗氮技术的应用，其中活性屏离子渗氮技术有着明显的设备和工艺优势, 可能成为离子渗氮技术的发展方向。 关键词：渗氮技术工业应用离子渗氮 一、渗氮基本原理 渗氮是一个热化学扩散过程；是根据NH3和材料表面的反应过程来进行的, 关于反应的实际过程和由此产生的物质传输可通过动力学来说明。 NH 3通入炉内加热后得到NH 3 、N 2 + H 2 、NH,其中未裂解的NH 3 和裂解的产物N 2 +H 2 与铁不发生氮化反应,一部份NH 3 所形成的氨根NH与铁反应被吸收在铁表面形成ɑ-Fe层,随着形成浓度梯度,氮向内部扩散, 当超过ɑ-Fe的溶解度后, 氮继续聚集在材料表面,由生成的两相形成氮化合物层(俗称白层)继续增厚,氮进一步向内部扩散形成扩散层。 二、中国古代的钢铁渗氮技术 早在干将制剑时，古代工匠就采用了添加毛发和指甲的渗碳技术，毛发和指甲含有一定量的氮，工件经此工艺处理后，会有一定的渗碳增氮效果,这可能是无意识的碳氮共渗的开始。在古代文献的分析中，我们还注意到古人有仅采用含氮物质的处理方法。《武备志》中有:“刀方: 羊角、铁石砂。其中羊角、铁石主要含碳，砂的主要成分是氯化胺，氯化胺加热是否会分解出活性氮。另外，古文献中还有以硝为主要渗剂的处理方法。《篆刻度》对此有详细记述:“尝见炼新刀者，用猪牙、头发及硝，各烧灰等分，酽醋调画刀口，如锯齿状，号为马牙钢。”其中硝是硝酸钾，属供氮原料。《物理小识》“器用类·淬刀法”中还提及“以酱同硝涂錾口，煅赤淬火”其中酱可能是主要用作为黏结剂使用的，而硝酸钾为主要渗剂。硝酸钾可加热分解为亚硝酸钾，而亚硝酸钾会进一步在加热的过程中析出氮原子，因此硝酸钾可作为渗氮剂。以硝酸钾为渗氮剂的渗氮方法现在仍被有时应用来代替氰化盐进行液体渗氮。由于氯化胺和硝酸钾的有效作用温度均小于700℃。若采用砂和硝作为渗入剂，古人一般不会用高于700℃的处理方法，因此，可以认为上述处理的主要效果是渗氮。 三、常见的渗氮技术简介 1.盐浴渗氮技术 盐浴渗氮工艺作为一种旨在改善材料表层硬度和耐磨性的表面改性技术，其
低温渗氮技术的类型
低温渗氮技术的类型 渗氮是在钢或铸铁表面深入氮元素的一种化学热处理方法，工件经过渗氮处理后其表面硬度、疲劳强度、抗蚀性能及耐磨性能显著提高。传统渗氮温度一般高于500℃，渗氮时间需30h以上，造成了极大的能源浪费，因而研究并开发低温渗氮技术具有重要意义。 目前低温渗氮可以分为以下三种： 1、低温气体渗氮 气体渗氮是利用氨气作为渗氮介质，渗氮过程主要包括三个部分：氨气受热分解产能活性原子、表面吸附和氮原子向内部扩散。气体渗氮在工业上应用广泛，但是传统渗氮温度一般在500℃以上，且工艺周期长。而材料表面经活性处理后能够降低气体渗氮温度，提高渗氮速度；另外钢件表面经过预先的塑性变形，可以细化表面晶粒尺寸、提高位错和非平衡缺陷的浓度，对于实现低温快速渗氮具有重要的作用。 2、低温离子渗氮 离子渗氮是利用气体辉光放电原理，渗氮气氛电离产生的活性N原子或N+被工件表面吸附后向内部扩散形成渗氮层。和气体渗氮相比，离子渗氮具有渗氮温度低、渗速快、工件变形小、能耗低等优点。为克服传统电流离子渗氮过程中容易出现的工件温度不均匀、边缘效应和打弧等问题，近些年来又出现了活性屏离子渗氮（ASPN）、离子注入离子渗氮(PⅢ)等先进的低温渗氮技术。 3、低温盐浴渗氮 盐浴渗氮在机理上和气体渗氮是一样的，主要区别在于所用的渗氮介质不同，盐浴渗氮采用富含氮元素的熔融无机盐作为渗氮介质。相比其他渗氮方法，经盐浴渗氮处理工件变形小，同等条件下盐浴渗氮周期短，工艺重复性好，生产成本低。因为盐浴渗氮与气体渗氮差别不大，为此气体渗氮中降低渗氮温度的各种方法适合应用于低温盐浴渗氮，如改性、表面处理等。
目前低温渗氮技术已得到了工业应用，但仍存在着一些问题，如低温条件下的渗氮速度，另外一些预先处理，如活性、表面处理的附加的渗氮成本，这些将是今后的研究方向。
氮化处理技术
氮化处理技术 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。由于经本法处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温，其应用范围逐渐扩大。例如钻头、螺丝攻、挤压模、压铸模、鍜压机用鍜造模、螺杆、连杆、曲轴、吸气及排气活门及齿轮凸轮等均有使用。 一、氮化用钢简介 传统的合金钢料中之铝、铬、钒及钼元素对渗氮甚有帮助。这些元素在渗氮温度中，与初生态的氮原子接触时，就生成安定的氮化物。尤其是钼元素，不仅作为生成氮化物元素，亦作为降低在渗氮温度时所发生的脆性。其它合金钢中的元素，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。在含铬的铬钢而言，如果有足够的含量，亦可得到很好的效果。但没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适合作为渗氮钢。 一般常用的渗氮钢有六种如下： （1）含铝元素的低合金钢（标准渗氮钢） （2）含铬元素的中碳低合金钢SAE 4100，4300，5100，6100，8600，8700，9800系。
（3）热作模具钢（含约5％之铬）SAE H11 （SKD – 61）H12，H13 （4）肥粒铁及麻田散铁系不锈钢SAE 400系 （5）奥斯田铁系不锈钢 SAE 300系 （6）析出硬化型不锈钢 17 - 4PH，17 – 7PH，A – 286等含铝的标准渗氮钢，在氮化后虽可得到很高的硬度及高耐磨的表层，但其硬 化层亦很脆。相反的，含铬的低合金钢硬度较低，但硬化层即比较有韧性，其表面亦有相当的耐磨性及耐束心性。因此选用材料时，宜注意材料之特征，充分利用其优点，俾符合零件之功能。至于工具钢如H11（SKD61）D2（SKD – 11），即有高表面硬度及高心部强度。 二、氮化处理技术： 调质后的零件，在渗氮处理前须澈底清洗干净，兹将包括清洗的渗氮工作程序分述如下： （1）渗氮前的零件表面清洗 大部分零件，可以使用气体去油法去油后立刻渗氮。但在渗氮前之最后加工方法若采用抛光、研磨、磨光等，即可能产生阻碍渗氮的表面层，致使渗氮后，氮化层不均匀或发生弯曲等缺陷。此时宜采用下列二种方法之一去除表面层。第
金属渗氮技术的起源、发展与进步
金属渗氮技术的起源、发展与进步 渗氮技术是在低于钢铁材料临界点Ac1基体不发生相变的前提下，将活性氮原子渗入制件表层的化学热处理工艺。文章论述了渗氮技术的发展和演变史，对其应用加以介绍。 标签：渗氮技术；起源；发展 1 渗氮技术起源 渗氮技术对于近代金属表面热处理工艺来说，已经有了百余年的历史，这种现象已经早已出现在古代的生产生活中。在古人制造剑时，工匠们其实采用了添加毛发和指甲的渗碳技术，大家知道在指甲和毛发中，含有一定量的氮，工件在处理后，会产生一定的渗碳增氮效果，碳氮共渗的开始很可能就是从此。在古文献的分析中，仅采用含氮物质的处理方法古人也曾实施。《武备志》中有：“刀方：羊角、铁石、砂。”其中砂的主要成分就是氯化胺，而氯化胺加热就会分解出活性氮。除此之外，古文献中还有以硝作为主要渗剂的表面处理方法。《物理小识》“器用类·淬刀法”中还提及“以酱同硝涂錾口，煅赤淬火”其中酱可能是作为黏结剂，而硝酸钾为主要渗剂。《篆刻度》也有记述：“尝见炼新刀者，用猪牙、头发及硝，各烧灰等分，酽醋调画刀口，如锯齿状，号为马牙钢。”其中的供氮原料硝是硝酸钾。硝酸钾加热分解出的亚硝酸钾，会进一步在加热的过程中析出氮原子，故可将硝酸钾作为渗氮剂。以硝酸钾为渗氮剂的渗氮方法，在现在仍被应用来代替氰化盐进行液体渗氮。由于氯化胺和硝酸钾的有效作用温度均小于700℃，古人处理温度一般不高，因此，可以认为上述处理的主要效果是渗氮。 [1]由此可见，渗氮技术的产生来源于古代人民的生产尝试，可以说这是一种对于经验的升华。下面笔者将具体介绍一下现代的渗氮技术。 2 渗氮技术原理 渗氮是在一定介质中一定温度下使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺，是指在不高于A1温度下氮以铁的化合物形式和间隙固溶形式存在于被处理件表层，以提高表层硬度，达到改善材料耐磨性为主要目的的一种表面处理技术。其实，传统的渗氮技术是把工件放入密封容器中，通有流动的氨气，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。倘若在渗氮过程中同时渗入碳来促进氮的扩散，把这种渗氮过程叫做氮碳共渗。 3 渗氮技术发展 20世纪初，钢铁渗氮进入研究阶段，获得工业应用是在20年代以后。在开始阶段，气体渗氮仅限于含铬钢和铝钢，后来才逐渐扩大到其他钢种。从70年代开始，渗氮从理论到工艺都迅速发展并且日益完善，适用范围也不断扩大，成为重要的化学热处理工艺之一。
渗氮技术中的气体渗氮控制
渗氮技术中的气体渗氮控制 渗氮处理技术 零件的渗氮效果直接影响其工作效率，为此针对不同氮化要求，第一线的技术达人们探索出了不同的渗氮工艺，并在工业上广泛应用。常用渗氮处理中的气体渗氮，因其理论简单、操作方便而得以广泛运用，但气体渗氮时间长，如果控制不好，易出现最外层氮化物质脆，在冲击载荷作用下易剥落，所以限制了应用范围。随着生产上对于渗氮工艺的要求越来越高，相继出现了各类渗氮方法，如盐浴软氮化、气体软氮化、真空氮化等，这些技术的运用对缩短氮化时间，提高氮化氮层质量有着重要意义。 渗氮处理有哪些实用 经渗氮处理，零件能获得好的表面硬度（67-72HRC）、良好的耐磨性、耐腐蚀性、高温稳定和高疲劳强度。这些优良的性能使渗氮钢广泛应用于制造各类重要零件，如燃油喷射系统中的精密件、发动机气缸、阀杆等。渗氮处理与渗碳处理都是常用的表面强化方法，两者各有优势。 气体渗氮控制设备的进展 在今后，渗氮技术应逐渐向渗氮时间短、渗层深、能耗低、绿色经济的方向转变。这就要求从生产工艺的角度、设备选择等方面进行改进和创新。 在气体渗氮或碳氮共渗气氛中，通常采用氨气或以氨气为主的气体作为原料气。依据原理，炉气氮势与氨分解率有直接关系。常规情况下，可以使用泡泡瓶、氢探头进行控制。 最新的研究发现，通入炉内的气氛除氨气之外，还通入了加快气氛冲刷速度的氮气、氧化及后氧化过程中所需的CO2、甲醇、水等其它气氛时，传统的测量会出现渗氮工艺偏差，甚至报废整炉工件的情况。武汉华敏进行了深入研究，最新的热处理氮控系统的能够精确计算氢含量，相较于传统的铂比热导传感器，在测量精度、灵敏度，温度漂移小等方向有很大的提升。并且在氢探头内置进口MEMS热导传感器，利用H2气体和其他气体热导率差异很大的特性对被测气氛中的氢含量进行测量。