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,、滾動、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、滾動等相對運動的工況下工作,。工件之間有摩擦,,同時還承受了一定的交變彎曲應(yīng)力和接觸疲勞應(yīng)力,有時還會有一定的沖擊力,。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度及耐磨性,而心部又有高的強度和韌性,,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的長大,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增強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,??偟男Ч荖i、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度較低,,錳鋼的淬透性比鉻鋼強些,而切削加工性能差些,,滲碳時晶粒易長大,。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,,滲碳時奧氏體晶粒長大傾向較小,,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度很高,,主要用作重載和強烈磨損的大型零件,,如內(nèi)燃機(jī)的主動牽引齒輪、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,;同時也受到交變的疲勞應(yīng)力,。對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,,會形成碳氮化合物相。對于氮化而言,,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,,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)后的組織在長時間氮化處理時保持穩(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,,一方面是因為服役條件不同,,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。
國際上廣泛應(yīng)用的氮化鋼是38Cr2MoAIA(相當(dāng)于我國的38CrMoAlA),。近年來還開發(fā)了一系列氮化用鋼,,如38Cr2WVAlA、30CrNi2WVAlA,、30Cr3WA等,。
在實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,。
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