傳統上把滲氮後不僅能獲得高的硬度和疲勞強度的滲氮層， 而且心部具有足夠強度和韌度的鋼稱為滲氮鋼。從理論上講，所有的鋼鐵材料都能滲氮。不同類型的鋼，滲氮後零件具有不同的性能特點。用作滲氮的鋼種包括： 結構鋼、工具鋼、不鏽鋼、耐熱鋼。
基本介紹
- 中文名：滲氮鋼
- 外文名：nitriding steel
- 材料：結構鋼、工具鋼、不鏽鋼等
- 常利用的合金：Al、Cr、V、Mo
- 學科：冶金工程
- 作用：提高結鋼材的硬度、耐磨性等
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滲氮作用
滲氮的目的是為了提高結構件、工具、模具的硬度、耐磨性 以及疲勞壽命，提高工件在腐蝕介質環境的耐蝕性。滲氮鋼種的 含碳量包括了從低碳到高碳的範圍，它們可以是碳鋼也可以是合 金鋼。如果用碳鋼進行滲氮，形成穩定性不高的Fe4N和Fe2N， 溫度稍高，就容易聚集粗化，表面不可能得到更高的硬度，並且 其心部也不能具有更高的強度和韌性。為了在表面得到高硬度和 高耐磨性，同時獲得強而韌的心部組織，必須向鋼中加入一方面 能與氮形成穩定的氮化物，另外，還能強化心部的合金元素，如 Al、Ti、V、W、Mo、Cr等，均能和氮形成穩定的化合物。其中 Cr、W、Mo、V，還可以改善鋼的組織，提高鋼的強度和韌性。
生產工藝
滲氮鋼一般用頂底復吹轉爐或電爐生產。由於含鋁的滲氮鋼鋁含量高，鋼液的粘性較大，易於生成矽酸鋁夾雜物，鋁在鋼中分布不均勻而生成點狀偏析，影響鋼材質量。用作重要零件的含鋁滲氮鋼，應再加電渣重熔。滲氮鋼軋制或鍛造後應進行正火處理以改善組織。有時為了提高切削性能，需進行完全退火或不完全退火。零件粗加工後進行調質處理，之後進行精加工。為了消除調質和精加工所產生的殘餘應力，可在550～600℃退火。精加工通常只是將零件氮化層最表面的白層（ε相）研磨掉，不再加工。
滲氮鋼類型
應當指出，適宜於滲氮的鋼很多，為了獲得最好的表面層性能和 心部性能，根據不同需要選擇不同的鋼號，常用滲氮鋼的性能及 用途見表1。
表2 常用滲氮鋼的性能及用途38CrMoAl鋼
38CrMoAl鋼是常用的典型滲氮用鋼，其中鋁與氮有極大的 親和力，是形成氮化物，提高滲氮層強度、硬度的主要合金元 素。AlN很穩定，到約1000℃的溫度在鋼中不發生溶解。由於鋁 的作用使鋼具有良好的滲氮性能，此鋼經過滲氮後表面硬度高達 1100～1200HV（相當於67～72HRC）。鋼中的鉻、鉬也能形成氮 化物，提高滲層硬度，還能提高鋼的淬透性和回火穩定性，消除 因含鋁造成的晶粒粗大，提高鋼的強度和韌度。此外，鉬還有消 除鋼的回火脆性的作用。
38CrMoAlA鋼
38CrMoAlA鋼的淬透性並不高，油淬時其臨界直徑為30mm 左右。厚度在50mm以下的，可採用油淬; 厚度超過50mm的， 多採用水淬油冷。38CrMoAlA鋼的脫碳傾向較嚴重，若表面脫碳 層沒有除盡，滲氮時易在滲氮層表面形成一種針狀氮化物，不僅 使滲氮層硬度降低，也使滲氮層變脆。含鋁高的鋼，鋼液黏性 大，冶金質量難控制，鋼材易出現偏析、夾雜、發紋、岩石狀斷 口及層狀組織等缺陷。38CrMoAlA鋼的化學成分及熱加工規範見 表8-5。
合金結構鋼
當合金結構鋼採用與氮親和力很強的鋁、鈦、鈮、釩、鉻、鉬和鎢等元素進行合金化時，鋼的氮化處理效果增大。通常採用的滲氮鋼是中碳鉻鉬鋁鋼，38CrMoAl就是成熟的牌號之一。滲氮可採用氣體、鹽浴或顆粒的滲氮劑，通常在500～590℃之間進行氮化處理，使鋼材表面富集氮，生成氮化物，改變鋼表層的組織結構，產生HV700～1200的高硬度表層，達到提高鋼材在靜載荷和交變應力作用下的強度性能、耐磨性能和耐腐蝕性能。純鐵、碳素鋼及含鎳、鈷的合金結構鋼，通常是不適合作滲氮基體鋼的。
合金元素作用
（1）提高氮化工藝性能。鋁、鈦、鈮、釩、鉻、鉬、鎢等是形成氮化物元素。它們在α相中形成超顯微的氮化物顆粒，對α相起彌散硬化作用，形成的氮化物越強，則彌散硬化作用越大。這些元素中鋁、鈦、鈮、釩最有效，鉻、鉬等次之。如果表面硬度需要在HV900以上，採用強氮化物形成元素鋁或釩等的鋼種;若表面硬度不需要超過HV900，可以採用含鉻鉬、鎢的鋼種。
（2）使鋼具有足夠的淬透性。鋼在滲氮後表面形成的高硬度氮化層，既薄（一般為0.4～0.7mm）又脆，需要有一個強度高的內層來支持，同時，為了獲得零件所要求的強而韌的綜合力學性能，所以在滲氮前對鋼進行淬火、高溫回火調質處理，因此，就必須要求鋼有足夠的淬透性。錳、鉻、鉬、鎳等都是提高淬透性的有效元素。釩、鈦、鈮等元素能輔助增大淬透性。
（3）使鋼在滲氮過程中不軟化。鉻、鉬、釩是使鋼在500～590℃長期保溫保持強度的有效元素。往氮化鋼中加鉬，可以防止或減弱鋼發生回火脆性。含鋁鋼中的鎳形成Ni3Al，在滲氮過程中時效強化心部。
