机械零件钢之渗碳钢与氮化钢

机械零件钢之渗碳钢与氮化钢

在机械装备中许多机械零件主要是在滑动、滚动、接触应力、冲击、磨损等工况条件下工作的，接触疲劳是其主要失效形式。因此，要求钢的表面具有高的硬度、高的接触疲劳抗力和良好的耐磨性，而心部具有一定的塑韧性，这就需要进行表面化学热处理。渗碳钢和氮化钢是为了适用于渗碳热处理和氮化热处理的需要而发展起来的钢种。

1.渗碳钢

渗碳钢大量用来制造齿轮、凸轮、活塞销等零件。这些零件往往在滑动、滚动等相对运动的工况下工作。工件之间有摩擦，同时还承受了一定的交变弯曲应力和接触疲劳应力，有时还会有一定的冲击力。在这种服役条件下，这些零件常见的失效形式有过量磨损、表面剥落，甚至断裂等。因此，对这些零件的技术要求是表面具有高硬度、高耐磨性、高接触疲劳抗力，而心部应具有良好的综合力学性能。为了满足这样的要求，零件可用渗碳钢制造，通过渗碳淬火工艺，使表面有高的弯曲和疲劳强度及耐磨性，而心部又有高的强度和韧性，也就是表层相当于高碳钢，而心部是低碳钢。

(1)渗碳钢的合金化

渗碳钢的含碳量决定了渗碳零件心部的强度和韧性，从而影响到零件整体的性能。心部过高的含碳量将使零件整体的韧性低，不能在有冲击载荷的状态下使用。一般渗碳钢都是低碳钢，碳的质量分数为0.12%~0.25%，个别钢种可达到0.28%。

渗碳钢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渗碳钢的淬透性，以使较大尺寸的零件在淬火时心部能获得大量的板条马氏体组织。根据零件承受负荷大小的不同情况，心部需要的显微组织也有所差别。Ti 、V、W、Mo等元素可以阻止奥氏体晶粒在高温渗碳时的长大，能细化晶粒。Cr、Mn、Ni等元素还可改善渗碳层性能。

合金元素对钢的渗碳工艺性能也有重要的影响，碳化物形成元素一方面会增强钢表面吸收碳原子的能力，增加渗碳层表面的碳含量，有利于增加渗碳层深度；另一方面又会阻碍碳在奥氏体中的扩散，因而不利于渗碳层厚度的增加。就总的效果来看，Cr、Mn、Mo元素有利于渗碳层厚度的增加，而Ti能减小渗碳层厚度。非碳化物形成元素则相反，会降低钢表面吸收碳原子的能力，减少渗碳层的碳含量，加速碳在奥氏体中的扩散。总的效果是Ni、Si等元素不利于渗碳层厚度的增加。钢中碳化物形成元素含量过高，将在渗碳层中产生许多块状碳化物，造成表面的脆性，所以碳化物和非碳化物形成元素在钢中的含量要适当。Mn在渗碳钢中是较好的合金元素，它既可以加速渗碳层形成，又不过多增高渗碳层的含碳量。

(2)常用渗碳钢

渗碳钢都是低碳钢或低碳合金钢，按照淬透性程度可分为低、中和高淬透性渗碳钢。

a)低淬透性渗碳钢，如15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2等。这类钢经渗碳、淬火与低温回火后心部强度较低，锰钢的淬透性比铬钢强些，而切削加工性能差些，渗碳时晶粒易长大。如性能要求较高，这类钢宜采用渗碳后重新加热淬火处理。低淬透性钢的水淬临界直径为20~35mm，低温回火后的心部组织为回火马氏体。这类钢用作受力不太大、心部强度不需要很高的耐磨零件，如柴油机的凸轮轴、挺杆、小齿轮等。

b)中透性合金渗碳钢，如20CrMnTi、12CrNi3A、20CrMnMo、20MnVB 等。这类钢合金元素总的质量分数在4%左右，其淬透性和力学性能较高，油淬临界直径为25~60mm，主要用于承受中等动载荷的耐磨零件，如汽车变速齿轮、联轴器、齿轮轴、花键套轴等。由于钢中含有Ti、V、Mo等元素，渗碳时奥氏体晶粒长大倾向较小，渗碳后可自渗碳温度预冷到870℃左右直接淬火，经低温回火后，具有良好的力学性能。

c)高淬透性合金渗碳钢，如12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。这类钢合金元素总的质量分数小于7.5%，淬火及低温回火后心部强度很高，主要用作重载和强烈磨损的大型零件，如内燃机的主动牵引齿轮、柴油机曲轴等。这类钢的淬透性很好，油淬临界直径在100mm以上，甚至在空气中冷却也能获得马氏体组织。

2.氮化钢

有些机器零件，如精密机床的主轴等，其工作状况为：在工作时载荷不大，基本上无冲击力；有摩擦，但比齿轮等零件的磨损要轻；同时也受到交变的疲劳应力。对这一类零件的重要要求是能保持较高的尺寸精度。然而，由于渗碳处理会导致工件尺寸缩小。因此，这类零件常采用氮化钢进行渗氮处理，可达到其性能要求。

氮化是用氮饱和钢的表面的工艺过程，氮化工艺一般在600℃以下进行。氮化钢多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢，氮化的目的在于提高钢的表面硬度、耐磨性、热稳定性和耐蚀性。氮化以前，零件要经过调质热处理以得到稳定的回火索氏体组织，以保证零件最终的使用性能和使用过程中的尺寸稳定性，同时也为获得需要的氮化层做好组织准备。

但是由于钢中含有一定量的碳，因而氮化时，会形成碳氮化合物相。对于氮化而言，提高氮化层性能有效的合金元素是Al、Nb、V等，这些合金元素所形成的合金氮化物很稳定，其次是Cr、Mo、W的合金氮化物。

不含Al时，形成的氮化层脆，容易剥落。要得到满意的氮化层，钢中要含质量分数为1%左右的Al。Mo、Mn元素提高钢的淬透性，以满足调质处理要求。Mo、V元素使调质后的组织在长时间氮化处理时保持稳定，也防止了钢的第二类回火脆性。氮化钢的含碳量比渗碳钢高，一方面是因为服役条件不同，另一方面能获得比较高的硬度，以支撑高硬度表层，保证在过渡区有良好的硬度匹配。

国际上广泛应用的氮化钢是38Cr2MoAIA(相当于我国的38CrMoAlA)。近年来还开发了一系列氮化用钢，如38Cr2WVAlA、30CrNi2WVAlA、30Cr3WA等。

在实际使用中要求具有高耐磨性的零件应有高硬度的表面氮化层，一般采用含强氮化物形成元素铝的钢种，如38CrMoAl。经调质和表面氮化处理后，38CrMoAl 钢表面可获得最高氮化层硬度(900~1000HV)。仅要求高疲劳强度的零件，可采用不含铝的Cr-Mo型氮化钢，如35CrMo、40CrV等，其氮化层的硬度控制在500~800HV。

氮化处理提高零件疲劳强度和耐磨性的原因，首先是在表面形成了高硬度的γ-FeN和ε-Fe_3-2N层；其次是渗入的氮原子与氮化物形成元素形成弥散的合金氮化物，提高表面氮化层的强度和硬度；另外，表面渗入氮原子后体积膨胀，因而在表面产生了残余压应力，能抵消外力作用产生的张应力，减少表面疲劳裂纹的产生。