機械零件鋼之滲碳鋼與氮化鋼

在機械裝備中許多機械零件主要是在滑動、滾動、接觸應力、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，這就需要進行表面化學熱處理。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力和接觸疲勞應力，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，而心部應具有良好的綜合力學性能。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，碳的質量分數(shù)為0.12%~0.25%，個別鋼種可達到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。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量分數(shù)在4%左右，其淬透性和力學性能較高，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冷到870℃左右直接淬火，經(jīng)低溫回火后，具有良好的力學性能。

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量分數(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)燃機的主動牽引齒輪、柴油機曲軸等。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

有些機器零件，如精密機床的主軸等，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，由于滲碳處理會導致工件尺寸縮小。因此，這類零件常采用氮化鋼進行滲氮處理，可達到其性能要求。

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)過調質熱處理以得到穩(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，鋼中要含質量分數(shù)為1%左右的Al。Mo、Mn元素提高鋼的淬透性，以滿足調質處理要求。Mo、V元素使調質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。

國際上廣泛應用的氮化鋼是38Cr2MoAIA(相當于我國的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)調質和表面氮化處理后，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-Fe_3-2N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)生了殘余壓應力，能抵消外力作用產(chǎn)生的張應力，減少表面疲勞裂紋的產(chǎn)生。