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機(jī)械零件鋼之滲碳鋼與氮化鋼
機(jī)械零件鋼之滲碳鋼與氮化鋼
在機(jī)械裝備中許多機(jī)械零件主要是在滑動(dòng),、滾動(dòng),、接觸應(yīng)力,、沖擊,、磨損等工況條件下工作的,，接觸疲勞是其主要失效形式,。因此,，要求鋼的表面具有高的硬度、高的接觸疲勞抗力和良好的耐磨性,，而心部具有一定的塑韌性,，這就需要進(jìn)行表面化學(xué)熱處理。滲碳鋼和氮化鋼是為了適用于滲碳熱處理和氮化熱處理的需要而發(fā)展起來的鋼種,。
1.滲碳鋼
滲碳鋼大量用來制造齒輪,、凸輪、活塞銷等零件,。這些零件往往在滑動(dòng),、滾動(dòng)等相對(duì)運(yùn)動(dòng)的工況下工作,。工件之間有摩擦，同時(shí)還承受了一定的交變彎曲應(yīng)力和接觸疲勞應(yīng)力,，有時(shí)還會(huì)有一定的沖擊力,。在這種服役條件下，這些零件常見的失效形式有過量磨損,、表面剝落,，甚至斷裂等。因此,，對(duì)這些零件的技術(shù)要求是表面具有高硬度,、高耐磨性、高接觸疲勞抗力,，而心部應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能,。為了滿足這樣的要求，零件可用滲碳鋼制造,，通過滲碳淬火工藝,，使表面有高的彎曲和疲勞強(qiáng)度及耐磨性，而心部又有高的強(qiáng)度和韌性,，也就是表層相當(dāng)于高碳鋼,，而心部是低碳鋼。
(1)滲碳鋼的合金化
滲碳鋼的含碳量決定了滲碳零件心部的強(qiáng)度和韌性,，從而影響到零件整體的性能,。心部過高的含碳量將使零件整體的韌性低，不能在有沖擊載荷的狀態(tài)下使用,。一般滲碳鋼都是低碳鋼,，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%~0.25%，個(gè)別鋼種可達(dá)到0.28%,。
滲碳鋼中常用的合金化元素有Cr,、Mn、Ni,、W,、Si,、V,、Ti、Mo等,。Cr,、Mn、Ni 等元素的主要作用是提高滲碳鋼的淬透性,，以使較大尺寸的零件在淬火時(shí)心部能獲得大量的板條馬氏體組織,。根據(jù)零件承受負(fù)荷大小的不同情況，心部需要的顯微組織也有所差別。Ti ,、V,、W、Mo等元素可以阻止奧氏體晶粒在高溫滲碳時(shí)的長(zhǎng)大,，能細(xì)化晶粒,。Cr、Mn,、Ni等元素還可改善滲碳層性能,。
合金元素對(duì)鋼的滲碳工藝性能也有重要的影響，碳化物形成元素一方面會(huì)增強(qiáng)鋼表面吸收碳原子的能力,，增加滲碳層表面的碳含量,，有利于增加滲碳層深度；另一方面又會(huì)阻礙碳在奧氏體中的擴(kuò)散,，因而不利于滲碳層厚度的增加,。就總的效果來看，Cr,、Mn,、Mo元素有利于滲碳層厚度的增加，而Ti能減小滲碳層厚度,。非碳化物形成元素則相反,，會(huì)降低鋼表面吸收碳原子的能力，減少滲碳層的碳含量,，加速碳在奧氏體中的擴(kuò)散,。總的效果是Ni,、Si等元素不利于滲碳層厚度的增加,。鋼中碳化物形成元素含量過高，將在滲碳層中產(chǎn)生許多塊狀碳化物,，造成表面的脆性,，所以碳化物和非碳化物形成元素在鋼中的含量要適當(dāng)。Mn在滲碳鋼中是較好的合金元素,，它既可以加速滲碳層形成,，又不過多增高滲碳層的含碳量。
(2)常用滲碳鋼
滲碳鋼都是低碳鋼或低碳合金鋼,，按照淬透性程度可分為低,、中和高淬透性滲碳鋼。
a)低淬透性滲碳鋼,，如15Cr,、20Cr,、15Mn2、20Mn2等,。這類鋼經(jīng)滲碳,、淬火與低溫回火后心部強(qiáng)度較低，錳鋼的淬透性比鉻鋼強(qiáng)些,，而切削加工性能差些,，滲碳時(shí)晶粒易長(zhǎng)大。如性能要求較高,，這類鋼宜采用滲碳后重新加熱淬火處理,。低淬透性鋼的水淬臨界直徑為20~35mm，低溫回火后的心部組織為回火馬氏體,。這類鋼用作受力不太大,、心部強(qiáng)度不需要很高的耐磨零件，如柴油機(jī)的凸輪軸,、挺桿,、小齒輪等。
b)中透性合金滲碳鋼,，如20CrMnTi,、12CrNi3A、20CrMnMo,、20MnVB 等,。這類鋼合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%左右，其淬透性和力學(xué)性能較高,，油淬臨界直徑為25~60mm,，主要用于承受中等動(dòng)載荷的耐磨零件，如汽車變速齒輪,、聯(lián)軸器,、齒輪軸、花鍵套軸等,。由于鋼中含有Ti,、V、Mo等元素,，滲碳時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向較小,，滲碳后可自滲碳溫度預(yù)冷到870℃左右直接淬火，經(jīng)低溫回火后,，具有良好的力學(xué)性能,。
c)高淬透性合金滲碳鋼,，如12Cr2Ni4A,、18Cr2Ni4WA,、20Cr2Ni4A等。這類鋼合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于7.5%,，淬火及低溫回火后心部強(qiáng)度很高,，主要用作重載和強(qiáng)烈磨損的大型零件，如內(nèi)燃機(jī)的主動(dòng)牽引齒輪,、柴油機(jī)曲軸等,。這類鋼的淬透性很好，油淬臨界直徑在100mm以上,，甚至在空氣中冷卻也能獲得馬氏體組織,。
2.氮化鋼
有些機(jī)器零件，如精密機(jī)床的主軸等,，其工作狀況為：在工作時(shí)載荷不大,，基本上無沖擊力；有摩擦,，但比齒輪等零件的磨損要輕,；同時(shí)也受到交變的疲勞應(yīng)力。對(duì)這一類零件的重要要求是能保持較高的尺寸精度,。然而,，由于滲碳處理會(huì)導(dǎo)致工件尺寸縮小。因此,，這類零件常采用氮化鋼進(jìn)行滲氮處理,，可達(dá)到其性能要求。
氮化是用氮飽和鋼的表面的工藝過程,，氮化工藝一般在600℃以下進(jìn)行,。氮化鋼多為碳含量偏低的中碳鉻鉬鋁鋼，氮化的目的在于提高鋼的表面硬度,、耐磨性,、熱穩(wěn)定性和耐蝕性。氮化以前,，零件要經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理以得到穩(wěn)定的回火索氏體組織,，以保證零件最終的使用性能和使用過程中的尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)也為獲得需要的氮化層做好組織準(zhǔn)備,。
但是由于鋼中含有一定量的碳,，因而氮化時(shí)，會(huì)形成碳氮化合物相,。對(duì)于氮化而言,，提高氮化層性能有效的合金元素是Al、Nb,、V等,，這些合金元素所形成的合金氮化物很穩(wěn)定,，其次是Cr、Mo,、W的合金氮化物,。
不含Al時(shí)，形成的氮化層脆,，容易剝落,。要得到滿意的氮化層，鋼中要含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%左右的Al,。Mo,、Mn元素提高鋼的淬透性，以滿足調(diào)質(zhì)處理要求,。Mo,、V元素使調(diào)質(zhì)后的組織在長(zhǎng)時(shí)間氮化處理時(shí)保持穩(wěn)定，也防止了鋼的第二類回火脆性,。氮化鋼的含碳量比滲碳鋼高,，一方面是因?yàn)榉蹢l件不同，另一方面能獲得比較高的硬度,，以支撐高硬度表層,，保證在過渡區(qū)有良好的硬度匹配。
國(guó)際上廣泛應(yīng)用的氮化鋼是38Cr2MoAIA(相當(dāng)于我國(guó)的38CrMoAlA),。近年來還開發(fā)了一系列氮化用鋼,，如38Cr2WVAlA、30CrNi2WVAlA,、30Cr3WA等,。
在實(shí)際使用中要求具有高耐磨性的零件應(yīng)有高硬度的表面氮化層，一般采用含強(qiáng)氮化物形成元素鋁的鋼種,，如38CrMoAl,。經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面氮化處理后，38CrMoAl 鋼表面可獲得最高氮化層硬度(900~1000HV),。僅要求高疲勞強(qiáng)度的零件,，可采用不含鋁的Cr-Mo型氮化鋼，如35CrMo,、40CrV等,，其氮化層的硬度控制在500~800HV。
氮化處理提高零件疲勞強(qiáng)度和耐磨性的原因,，首先是在表面形成了高硬度的γ-FeN和ε-Fe3-2N層,；其次是滲入的氮原子與氮化物形成元素形成彌散的合金氮化物，提高表面氮化層的強(qiáng)度和硬度；另外,，表面滲入氮原子后體積膨脹,，因而在表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，能抵消外力作用產(chǎn)生的張應(yīng)力,，減少表面疲勞裂紋的產(chǎn)生,。