快速渗氮工艺的最新进展

简述了当前深层渗氮工艺的发展应用情况,介绍了本单位针对32Cr3MoVE钢开展的深层渗氮研究工作,以及该钢深层渗氮件与18CrNi4A渗碳件在4508MPa接触应力下的对比试验结果.本文对常规离子渗氮、循环离子渗氮、增压渗氮、低压脉冲渗氮、稀土催渗渗氮、形变促渗渗氮、高温渗氮等快速渗氮工艺方法的发展和存在的主要问题进行了总结,分析了以深层渗氮替代渗碳工艺尚须开展的工作.     

高速钢刀具可控渗氮

测定了Ｗ６Ｍｏ５Ｃｒ４Ｖ２高速钢的临界氮势ｒｃ和传质因子,提出了按氮势门槛值控制的可控渗氮工艺及按最优扩散条件可控渗氮曲线控制的可控渗氮工艺。成功地抑制了高速钢Ｗ６Ｍｏ５Ｃｒ４Ｖ２渗氮层的脆性。试验表明Ｗ６Ｍｏ５Ｃｒ４Ｖ２高速钢车刀经过可控渗氮处理切削能力大幅度提高,加工中硬度、高韧度材料时,寿命提高几十倍,并能顺利切削硬度高达３７～３９ＨＲＣ的１８Ｃｒ２Ｎｉ４ＷＡ钢。     

40Cr钢离子渗氮层ε相转变机理研究

借助X射线分析方法，研究了40Cr钢经不同时间渗氮处理后渗氮层ε相的形成以及经不同氨流量和温度渗氮后的改变 。结果表明，在渗氮温度和氨流量相同的条件下，渗氮层深度和ε相体积分数随氮时间的延长而增加，在一定时间后，渗氮层深度增加缓慢，相组成几乎不再随渗氮时间变化。调整渗氮温度和氨流量，通过渗氨温度和气氛氮势的变化，可有效地控制渗氮层形成和转变，以加快离子渗氮速度。     

40Cr钢富氮层快速离子渗氮技术的探索

用活性屏离子渗氮(ASPN)技术对40Cr钢进行快速离子渗氮技术的研究.本项研究是利用氮在奥氏体与铁素体中分别具有不同的溶解度和扩散速度的特性,采用了在共析温度以上短时间溶氮和在共析温度以下长时间扩散渗氮的两种不同的渗氮机制,进行交替渗氮处理.试验结果表明,采用这种新的渗氮工艺不仅可以显著提高渗氮处理中氮在钢中的内扩散速度,而且渗氮层具有较高的硬度.这种快速渗氮工艺可以用"吸收-扩散"渗氮模型进行解释.     

可控渗氮(NITREG)在汽车工业中的应用

气体渗氮的全新方法已被应用于渗氮过程,其前提是由氮势Np来控制渗层厚度和成分从而控制白亮层的性能。 氮势的表达式为;Np=P_(NH)_3/(P_H_2)3/2 其中:P_(NH)_3和P_H_2分别为氨与氢的分压。 渗氮工艺利用一个带有独特软件的计算机控制系统,这个系统可以连续地自动修正并实行完全的自动控制。每种钢所设计的工艺被输入计算机后即用于控制系统,从而保证了随后的批量生产的重现性。目前,氮势可控渗氮工艺已被用于各种特殊钢的渗氮。     

渗氮工艺对1Gr18Ni9Ti不锈钢表面耐蚀性的影响

通过对渗氮工艺处理后1Cr18Ni9Ti钢的组织观察及力学性能测量,研究了1Cr18Ni9Ti钢的渗氮层组织及性能与渗氮温度的关系。研究结果表明:未经过渗氮处理的1Cr18Ni9Ti钢主要相成分是α-Fe相,在300℃温度下渗氮处理后的物相主要有α′N、γ′-Fe4N及ε-Fe3C相,其中γ′-Fe4N相的含量较少,在350℃和400℃温度下渗氮处理后的物相主要有α′N、γ′-Fe4N、ε-Fe3C及Cr N相。经过渗氮处理后,钢表面的硬度有明显提升,硬度值随着渗氮温度的降低而减小。在300℃温度下渗氮处理可以一定程度上提升1Cr18Ni9Ti钢的耐蚀性。     

时效硬化型渗氮模具钢20Cr3MnMoV的热处理工艺特点

研究了20Cr3MnMoV钢热处理工艺参数对力学性能和渗氮硬化性能的影响。结果表明:20Cr3MnMoV钢热处理由固溶处理、时效、预时效和渗氮组成。合理控制时效过程是20Cr3MnMoV钢热处理的主要工艺特点。分别采用固溶处理后充分时效,无预时效直接渗氮和先预时效再渗氮等多种工艺,可以适应于不同工作条件的模具和构件,以满足耐磨性和强韧性的不同要求。20Cr3MnMoV钢氮碳共渗处理,可实现快速渗氮,深层渗氮硬化和基体强化,有广泛应用前景。     

1Cr11MoNiW1VNbN钢气体渗氮方法研究

研究了一种对1Cr11Mo Ni W1VNb N钢进行气体渗氮的工艺方法,采用较高温度在奥氏体区渗氮,通过多次试验摸索出一种较好的工艺方法,并用显微镜、硬度计等对渗氮后试样的渗层深度、裂纹情况、表面硬度、阶梯硬度等进行了测试分析。结果表明:采用温度(625±5)℃渗氮、(640±5)℃退氮的三段渗氮方法,可以满足1Cr11Mo Ni W1VNb N钢渗层深度≥0.25 mm、表面维氏硬度739~840 HV的技术要求。     

31CrMoV9钢深层渗氮工艺研究

对31CrMoV9钢在500~520℃氮势分段可控渗氮工艺进行了研究。结果表明:31CrMoV9钢在520℃深层渗氮,强渗期高氮势,扩散期低氮势的渗氮工艺,获得深硬化层,渗氮时间较短,表面硬度高,表面脆性Ⅰ级;在500℃~510℃渗氮,强渗8 h,氮势K_n=5.0~6.5,扩散4 h,K_n=1.5~2.5,渗氮后,渗氮层表面硬度800~860 HV,硬化层深度0.19~0.22 mm,表面脆性Ⅰ级;在515~520℃渗氮,强渗8 h,K_n=5.0~6.5,扩散4 h,K_n=1.5~2.5,渗氮后,渗氮层表面硬度710~800 HV,硬化层深度0.24~0.28 mm,表面脆性Ⅰ级。     

循环氮势快速离子渗氮

研究了循环氮势快速离子渗氮工艺机理和方法。对４０Ｃｒ和３８ＣｒＭｏＡｌ钢进行了离子湖氮。结果表明,与常规离子渗氮工艺相比,该工艺能显著地增加材料的渗氮层深度和耐磨性。     

3Cr13钢450 ℃不同气氛等离子体渗氮层表征

对3Cr13钢在450 ℃氨气和氨氮混合气氛中分别渗氮4、8和12 h后的渗氮层进行了对比。利用光学显微镜、显微硬度计、X射线衍射仪、电化学工作站对渗氮层截面显微组织、显微硬度、相组成以及耐蚀性进行了表征。氨气渗氮层由化合物层和白亮层组成,而氨气和氮气混合气氛渗氮层中没有出现白亮层。氨气渗氮12 h后,渗氮层的表面硬度为1050.0 HV0.05;表面化合物层主要相为ε-Fe_2-3N,次要相为γ′-Fe₄N,出现了少量的CrN,白亮层相组成为γ′-Fe₄N;渗氮后极化曲线钝化区变宽,自腐蚀电流密度减小,耐蚀性提高。氨氮混合气氛渗氮12 h后,渗层的表面硬度为998.0 HV0.05;气氛中N浓度升高,渗氮8 h后CrN含量增加,次要相由氨气渗氮8 h的γ′-Fe₄N变为CrN;随着渗氮时间延长至12 h,渗层的自腐蚀电流密度降低,钝化区略有变宽,耐蚀性略有提高。     

32Cr2Mo2NiVNb 钢盐浴氮化工艺

目的将盐浴氮化工艺用于32Cr2Mo2NiVNb钢的表面处理。方法采用盐浴氮化工艺处理32Cr2Mo2NiVNb钢,通过对金相组织、力学性能、断口形貌、耐蚀性能、高温耐磨性能等的测试分析,研究该工艺对32Cr2Mo2NiVNb钢组织和性能的影响,验证该工艺对32Cr2Mo2NiVNb钢的适用性。结果32Cr2Mo2NiVNb钢盐浴氮化后,基体组织为均匀的细针状索氏体+少量游离铁素体,渗氮层深度约为0.23 mm,化合物层深度均匀,约为17μm,渗氮层疏松度、氮化物、脆性评级均达到1级;表面硬度为1011HV0.3,较氮化前提高153.4%;抗拉强度、拉伸断口形貌均无明显变化,断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收能量仅小幅降低;耐中性盐雾时间为镀硬铬试样的6.3倍;经190 s高温磨损的表面磨痕细小均匀,磨损失重较镀硬铬试样降低62.8%。结论盐浴氮化工艺不损害32Cr2Mo2NiVNb钢组织、强度等,仅使塑性、韧性指标小幅降低,相较于镀硬铬工艺,可显著提高32Cr2Mo2NiVNb钢的耐蚀性、高温耐磨性,对32Cr2Mo2NiVNb钢的工艺适用性良好。     

富氮层快速离子渗氮工艺及机理研究

利用正交试验法对活性屏快速离子渗氮工艺参数进行优化,并对正交试验预测的优化工艺参数进行了验证。利用Fick第二扩散定律对快速离子渗氮优化工艺的富氮层进行了氮浓度、氮浓度梯度的计算。试验及计算结果表明,高温渗氮温度、高温渗氮时间和低温渗氮时间对渗层厚度的影响较大,选择合适的参数可以在渗氮时间不变、渗层硬度不降低的前提下显著增加渗层厚度。当富氮层厚度为8μm时,采用快速渗氮技术得到试样内表面与基体之间的氮浓度梯度,为传统渗氮模式的20倍以上。     

氮势控制技术及其应用

简要介绍了渗氮机理及氮势控制技术，并在GN70／120型井式渗氮炉内进行了可控渗氮试验。结果表明，采用HydroNit氢探头能精确测量和控制炉内氮势，有效降低渗层氮浓度，减少表面白视层厚度，满足高质量渗氮要求。     

复合化学热处理对G13Cr4Mo4Ni4V钢组织和硬度的影响

采用扫描电镜、洛氏硬度计和维氏显微硬度计研究了渗氮140 h对渗碳+淬火+回火G13Cr4Mo4Ni4V钢微观组织及硬度的影响。结果表明,渗碳+淬火+回火后G13Cr4Mo4Ni4V钢有效渗碳层深度为1.45 mm,渗碳层最高硬度为785 HV,心部硬度为420 HV,经渗氮处理后有效渗碳+渗氮层深度降为1.34 mm,渗氮层深度为0.22 mm,渗氮层最高硬度可达到948 HV,心部硬度为451 HV,较未渗氮试样硬度略有提高。渗碳+淬火+回火和添加渗氮处理后G13Cr4Mo4Ni4V钢的表面洛氏硬度相当,均在62~65 HRC 之间,但渗氮处理后试样的硬度波动性较大。添加140 h渗氮的渗碳+淬火+回火后G13Cr4Mo4Ni4V钢实现了“表面硬心部韧”的目标,渗氮层深度满足工程需要,但添加渗氮处理后G13Cr4Mo4Ni4V钢在渗碳层和渗氮层出现类网状碳化物,因此在渗氮过程中需要综合考虑渗氮层深度和微观组织,以获得良好的综合力学性能。     

Progress in control of nitriding potential in ASPN process

Abstract

A novel active screen plasma nitriding (ASPN) process provided excellent temperature homogeneity in the load and showed further progress in the control of nitriding potential. In addition to a variation of the nitrogen partial pressure in the process gas commonly used in the conventional plasma nitriding, the applied bias power strongly impacted the nitriding results. In the present work, an application of both methods for the control of nitriding potential in the ASPN process was systematically investigated for a wide range of process parameters to meet the treatment requirements for different types of engineering steel. A two-stage technique based on proper choice of process temperature and required nitriding potential in each stage has been applied in the ASPN process to avoid unnecessary compromises between sufficient thickness of the compound layer, the maximum case hardness and the acceptable nitriding hardness depth.     

Cr12钢的稀土诱导离子渗氮工艺

对Cr12钢进行了稀土诱导离子溅射渗氮试验,利用显微硬度计测量了试样表面渗氮层的硬度与层深,结合XRD衍射仪分析了复合渗氮层的相组成,最后用摩擦试验机检测试样表面的摩擦磨损特性。结果表明,稀土能够影响Cr12钢离子溅射渗氮效果,且其效果随两者距离的增加而急剧下降。当稀土与Cr12钢试样距离小于25 mm时,试样表面硬度相对普通离子渗氮工艺明显减小,表面摩擦因数及磨损率略差,但其渗氮层深度却明显增加;当两者距离超过25 mm时,稀土诱导效果明显减弱,试样表面的硬度及摩擦因数与普通离子渗氮工艺基本相同,但磨损率明显增大。分析表明,稀土元素能增大试样表面氮离子的吸附能力且为其渗入提供路径优势,当两者距离过大时稀土离子吸附性减弱,诱导效果消失,同时也使试样表面产生晶格缺陷,降低了其表面抗磨损的能力。     

38CrMoAlA、40Cr钢经不同渗氮工艺处理后的性能研究

研究了38CrMoAlA和40Cr钢经气体渗氮、气体氮碳共渗、离子渗氮处理后渗氮层的组织、硬度、摩擦磨损和腐蚀性能。试验结果表明，38CrMoAlA钢渗氮层的硬度及在3．5％NaCl溶液中的耐蚀性能高于40Cr钢，但抗摩擦磨损性能不如40Cr钢。依气体渗氮、气体氮碳共渗到离子渗氮的顺序，渗氮层的抗磨损性能逐次提高，但抗腐蚀能力逐次降低。从钢的化学成分、渗氮层的硬度和韧性出发，对38CrMoAlA和40Cr钢渗氮层的性能差异进行了分析与总结。