不锈钢表面离子渗氮技术

Xx职业技术学院毕业设计（论文）作者：学号：系部：模具技术系专业：材料成型与控制题目：不锈钢的固溶渗氮技术导者：评阅者：年月目录1 绪论 (6)1.1 不锈钢材料简介 (6)1.1.1 不锈钢的分类 (7)1.1.2 不锈钢的主要作用 (8)1.2 不锈钢热处理特点 (8)1.2.1 奥氏体不锈钢 (9)1.2.2 铁素体不锈钢 (10)1.2.3 马氏体不锈钢 (10)1.2.4 沉淀硬化型不锈钢 (11)1.3 论文的目的和意义 (12)2 奥氏体不锈钢固溶渗氮 (12)2.1 试验材料及方法 (12)2.2 试验结果与分析 (14)2.3 显微硬度 (16)2.4 氮浓度分布 (16)2.5 X射线分析 (18)2.6 极化曲线 (19)2.7 试验结论 (19)3 渗氮温度对奥氏体不锈钢性能的影响 (20)3.1 试验材料及方法 (20)3.2 试样表征 (21)3.3 结果与讨论 (21)4 不锈钢固溶渗氮 (24)4.1 固溶渗氮工艺原理 (24)4.2 心部和表面层显微组织的关系 (25)4.3 最佳合金成分确定 (26)4.4 工业固溶渗氮 (27)5 渗氮温度对3Cr13不锈钢表面渗氮层组织和性能的影响 (27)5.1 试样制备与试验方法 (28)5.2 试验结果与讨论 (28)结论 (35)致谢 (36)参考文献 (37)1 绪论金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。

其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

固溶渗氮是1993年在Wiesbaden的热处理学术研讨会上作为不锈钢表面改性新工艺提出来的。

目前已完成了实验和理论两方面的研究。

淬火后奥氏体区的表面层中是富含氮的．固溶渗氮工艺参数为：渗氮温度在1100—1150℃之间；氮气分压PN在1043×105Pa之间；扩散时间为24h，渗氮层深度d为2.5r／mm。

不锈钢离子渗碳不锈钢离子渗碳技术是一种常用的金属表面处理方法，通过在不锈钢表面注入碳离子，使其在表面形成一层具有较高碳含量的渗碳层。

这种渗碳层能够显著改善不锈钢的硬度、耐磨性、耐蚀性等性能，从而延长不锈钢的使用寿命。

不锈钢是一种耐腐蚀性能优异的金属材料，主要成分为铁、铬、镍和其他合金元素。

其中，铬元素能够与氧气发生反应生成一层致密的氧化铬膜，起到防止金属继续腐蚀的作用。

然而，不锈钢的硬度相对较低，容易产生磨损和划伤，限制了其在一些高强度、高摩擦等场景中的应用。

为了解决这一问题，人们提出了不锈钢离子渗碳技术。

不锈钢离子渗碳技术的原理是将不锈钢材料放置在离子渗碳设备中，通过高温和电子轰击作用，将碳离子注入不锈钢表面。

碳离子在不锈钢表面扩散，与金属元素发生反应，形成一层富碳的渗碳层。

这种渗碳层具有较高的硬度和耐磨性，能够有效提升不锈钢的力学性能和耐磨性。

不锈钢离子渗碳技术具有以下几个优势。

首先，渗碳层的硬度远远高于不锈钢基体，能够显著提升不锈钢的抗磨性能。

其次，渗碳层的表面粗糙度较低，能够减小不锈钢材料与外界摩擦的摩擦系数，降低磨损和能耗。

再次，渗碳层的化学成分可以通过调整渗碳工艺来控制，从而满足不同应用场景对材料性能的需求。

此外，不锈钢离子渗碳技术还能提高不锈钢材料的耐腐蚀性能，延长其在恶劣环境中的使用寿命。

不锈钢离子渗碳技术在工业领域有着广泛的应用。

例如，在汽车制造中，通过离子渗碳可以将不锈钢零部件的表面硬度提升数倍，增强其抗磨性和耐腐蚀性，从而延长汽车的使用寿命。

在航空航天领域，离子渗碳技术可以提高不锈钢零部件的耐高温性能和抗疲劳性能，保证飞机在极端环境下的安全运行。

此外，不锈钢离子渗碳技术还可以应用于制造机械设备、电子产品等领域，提升产品的耐用性和可靠性。

不锈钢离子渗碳技术是一种有效改善不锈钢材料性能的方法。

通过在不锈钢表面形成富碳的渗碳层，可以提升不锈钢的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，延长其使用寿命。

2Cr13的渗氮工艺研究的提纲摘要：首先介绍了离子渗氮对2Cr13不锈钢磨损及冲蚀行为的影响；2Cr13 不锈钢的稀土简单催渗循环离子渗氮；低温离子渗氮提高2Cr13 不锈钢的冲蚀磨损与冲刷腐蚀抗力的大体内容和方法及他们的优点。

关键字：低温离子渗氮; 2Cr13钢; 稀土催渗；磨损;冲蚀1.引言先讲了渗氮的定义，对2Cr13进行渗氮，渗氮对2Cr13的研究意义及主要价值。

2.正文2.1.讲的是离子渗氮对2Cr13不锈钢磨损及冲蚀行为的影响的具体实验材料、方法及实验过程。

例如：冲蚀磨损试验，2C r13钢的离子渗氮层(硬度试验后)的相图，2C r13钢离子渗氮层的硬度分布图，球盘磨损行为实验等。

最后实验结果分析：例如其中渗氮层硬度：测量表明, 2Cr13 不锈钢基体硬度为289 HK,渗氮层硬度最高为1 270 HK,为基体硬度的4. 4倍。

渗氮层包括白亮层和扩散层两部分,分界较明显(见图2) ,其中白亮层厚度为89 μm。

而扩散层与基体之间边界不明显。

由于扩散层的存在,使得从渗氮层表面到基体有很好的硬度梯度(见图3) 。

这种梯度式硬度和成分的分布不仅保证了渗氮层与基体的良好结合,而且保证了足够高。

2.2. 讲的是2Cr13 不锈钢的稀土催渗循环离子渗氮试验方法及过程:例如试验方法：渗氮前对试样进行机械抛光至表面粗糙度Ra =05μm ,并用丙酮清洗,阴干后放置于渗氮设备中,以免油污、锈斑、挥发物等而引起电弧,损伤试样。

本试验的渗氮设备选用PCVD210 型等离子体渗氮炉,电流: ≤5A;压强:160～190Pa ;气源选用氢气和氮气的混合气体。

利用Axioplan 2 金相显微镜观察显微组织。

用Hx21000TMC 显微硬度计测量表面硬度。

用HM2114Akashi 显微硬度仪检测显微硬度梯度及渗氮层深。

用PhI25400 的X2射线衍射仪对渗氮层进行相分析。

磨损设备选用MM2200 型磨损实验机,载荷为10kg ,采用油润滑。

离子氮化硬度和深度离子渗氮作为强化金属表面的一种利用辉光放电现象，将含氮气体电离后产生的氮离子轰击零件表面加热并进行氮化，获得表面渗氮层的离子化学热处理工艺，广泛适用于铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢及钛合金等。

零件经离子渗氮处理后，可显著提高材料表面的硬度，使其具有高的耐磨性、疲劳强度，抗蚀能力及抗烧伤性等。

如果氧化是在氮化结束后停炉过程中产生的，则仅影响外观质量，对渗层硬度、深度无影响。

1.离子氮化工艺技术的内涵及原理离子氮化是为了提高工件表面耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温等性能，利用等离子辉光放电在离子氮化设备内制备氮化层的一种工艺方法。

离子氮化分三个阶段，第一阶段活性氮原子产生，第二阶段活性氮原子从介质中迁移到工件表面，第三阶段氮原子从工件表面转移到芯部。

其中第一阶段电离和第三阶段扩散机制比较清楚，第二阶段活性氮原子如何从介质中迁移到工件表面的机理尚存争议，普遍认可的是“溅射-沉积”理论。

具体原理为：高能离子轰击工件表面，铁原子脱离基体飞溅出来和空间中的活性氮原子反应形成渗氮铁，渗氮铁分子凝聚后再沉积到工件表面。

渗氮铁在一定的渗氮温度下分解成含氮量更低的氮铁化合物，释放出氮原子，渗氮铁不断形成为一定厚度的渗氮层。

2.离子氮化工艺技术的发展历史（1）1932年德国人B.Berghaus发明。

3.离子氮化工艺技术的优点（1）工件涂层可根据预期性能要求通过调节氮、氢及其他(如碳、氧、硫等)气氛的比例调整实现相组成调节。

（2）制备涂层时间是普通渗氮的三分之一到五分之一，效率高。

（3）制备过程十分清洁而无需防止公害，无需额外加热和检测设备，能够获得均匀的温度分布，能源消耗是气体渗氮的40~70%，节能环保；耗气量极少(仅为气体渗氮的百分之几),可大大减少离子氮化的常见缺陷；适用的材质和温度范围广泛。

（4）工件制备完涂层后可获得无氧化的加工表面，表面光洁度高，变形量小。

4.离子氮化工艺技术的难点（1）空心阴极效应限制了在带小孔、间隙和沟槽零件中的应用（2）边角效应导致导致工件边角部位硬度和其余部位不一致（3）不同结构工件混装时温度的控制和测量存在困难（4）零件表面产生弧光放电（打弧）造成等离子不稳定或高洁净工件表面损伤5.离子氮化工艺技术应用常见问题（1）硬度低。

金属表面渗氮技术及其工业上的应用课程：腐蚀与材料保护主讲老师: 陈存华院系：化学学院专业：应用化学学号： 2010214131姓名：张伟华中师范大学化学学院2012年12月金属表面渗氮技术及其工业上的应用前言：金属表面的渗氮技术是为了改善材料表层硬度和耐磨性的表面改性技术，经过古代到现代多年的发展，传统的渗氮技术逐渐被现代渗氮技术所取代。

本文对多种渗氮技术做了相关的介绍，并就一些基本知识做一个相关概述。

重点介绍了离子渗氮技术的应用，其中活性屏离子渗氮技术有着明显的设备和工艺优势, 可能成为离子渗氮技术的发展方向。

关键词：渗氮技术工业应用离子渗氮一、渗氮基本原理渗氮是一个热化学扩散过程；是根据NH3和材料表面的反应过程来进行的, 关于反应的实际过程和由此产生的物质传输可通过动力学来说明。

NH3通入炉内加热后得到NH3、N2+ H2、NH,其中未裂解的NH3和裂解的产物N2+H2与铁不发生氮化反应,一部份NH3所形成的氨根NH与铁反应被吸收在铁表面形成ɑ-Fe层,随着形成浓度梯度,氮向内部扩散, 当超过ɑ-Fe的溶解度后, 氮继续聚集在材料表面,由生成的两相形成氮化合物层(俗称白层)继续增厚,氮进一步向内部扩散形成扩散层。

二、中国古代的钢铁渗氮技术早在干将制剑时，古代工匠就采用了添加毛发和指甲的渗碳技术，毛发和指甲含有一定量的氮，工件经此工艺处理后，会有一定的渗碳增氮效果,这可能是无意识的碳氮共渗的开始。

在古代文献的分析中，我们还注意到古人有仅采用含氮物质的处理方法。

《武备志》中有:“刀方: 羊角、铁石砂。

其中羊角、铁石主要含碳，砂的主要成分是氯化胺，氯化胺加热是否会分解出活性氮。

另外，古文献中还有以硝为主要渗剂的处理方法。

《篆刻度》对此有详细记述:“尝见炼新刀者，用猪牙、头发及硝，各烧灰等分，酽醋调画刀口，如锯齿状，号为马牙钢。

”其中硝是硝酸钾，属供氮原料。

《物理小识》“器用类·淬刀法”中还提及“以酱同硝涂錾口，煅赤淬火”其中酱可能是主要用作为黏结剂使用的，而硝酸钾为主要渗剂。

渗氮温度对3Cr13不锈钢表面离子渗氮层组织和性能的影响程东,高原,唐光辉(桂林电子科技大学信息材料科学与工程系,桂林541004)摘 要:利用等离子渗氮技术,在不同温度下对3Cr13不锈钢渗氮6h,研究了渗氮温度对渗氮层组织结构和性能的影响。

结果表明:渗氮温度显著影响3Cr13不锈钢表面渗氮层的结构与性能,渗层厚度随着渗氮温度的升高而增加;渗氮温度升高促使表面相由 N相和 相逐渐变成CrN 相及 相;随着渗氮温度的升高表面硬度提高,耐磨性能随之提高;而耐蚀性在低温渗氮(400)时比基体略有提高,之后(!450)随着渗氮温度的升高呈下降趋势,且低于基体的。

关键词:3Cr13不锈钢;渗氮层;渗氮温度;耐蚀性中图分类号:T G156.8 文献标志码:A 文章编号:1000 3738(2009)07 0019 03Effect of Nitriding Temperature on Microstructure and Properties of Plasma Nitriding Layer of3Cr13Stainless SteelCHENG Dong,GAO Yuan,TANG Guang hui(Depar tment of Infor mation M ater ial Science and Eng ineering,G uilin U niv ersity of Electr onicT echno lo gy,Guilin541004,China)Abstract:Based on the plasma nitr iding techno log y,the effect of t emperat ur e on the micr ostructure and pr operties o f plasma nit riding layer of3Cr13stainless steel w as st udied.T he results show t hat temperatur e significantly affected the structure and perfo rmance o f the nitr ided layer.W ith the nit riding temper atur e increasing the layer thickness incr eased,the sur face phases g radually pr ecipitated CrN and from the pr ime N and ,the surface hardness impr oved and the w ear resistance r aised.T he cor ro sion resistance which was lo wer than that o f base decr eased with t he temperature incr easing abo ve450ex cept fo r the low temper atur e(400)conditio n.Key words:3Cr13sta inless steel;nitr iding layer;nitr iding temperature;co rr osion r esist ance0 引 言不锈钢具有较好的耐蚀性能,但耐磨性能较差,这限制了其应用范围。

离子渗氮的工艺操作及注意事项1．同炉处理的零件应为同种或表面积和质量之比接近的零件。

零件至阳极的距离应大致相等，并大于30mm，零件之间应有足够大的距离并要求均匀，在零件偏低位置放置辅助阴极或辅助阳极，安放试样时应考虑温度，尽量和零件一致。

2．零件上有1~4mm孔槽易引起打弧，ф4~ф10mm的孔槽会造成温度不均匀，锈蚀零件清洗干净后方可入炉。

3．零件装炉后，密封炉盖和放气嘴，接通阴阳极导线。

预热并校正真空计，氨气热分解炉应提前升温。

4．起动真空泵使炉子逐渐达到要求的真空度，并打开气阀充入少量的热分解氨气，使炉压在1.3~13.3Pa左右。

5．闭合高压开关，慢慢升高电压，使零件起辉。

清理阶段开始，一般宜用低气压小电流，高电压、高档限流电阻，清理阶段正常为扩散弧。

但零件装卡不当，接触不良，小孔槽未屏蔽及表面大块状油污，绝缘物引起局部电弧损伤零件，起辉后1~2h仍在打弧不减弱，说明不正常，应分析原因或停炉。

6．打散弧清理结束后，转入升温阶段，逐渐加大供NH3量，提高电流、电压加速升温，对精密件变形要求严格件，升温速度小于100C/h。

当温度升到200~400 ℃时，孔洞和勾槽中的机油挥发也会引起打弧，弧点集中在孔槽周围，打弧断续相同，此时可适当减小电压、气压，使打弧电流减小，待油挥发干净后，打弧即会停止。

7．如在某个部位集中打弧，无停止迹象，可调节气压，并判明不打弧的最高气压能否维持零件升温和保温的需要，如能维持保温，可继续渗氮，如不能就停泵，打开炉膛，清除打弧源后，再重新抽真空升温。

8．当炉壳温度升到35 ℃时，开始通冷却水，冷却水出口温度应低于55℃。

9．升温时，应随温度升高，不断增加输入气体的流量或减少抽气率或加高气压，升温时间通常控制在0.5~3h，升温时的电流密度应控制在4~5Ma/cm。

10．保温阶段，电流密度比升温时小，可以通过调节气压、电压、氨分解温度等使电流密度一定，工作温度稳定。

离子渗氮工艺原理【2009-1-8】﹝一﹞钢的渗氮渗氮是把氮渗入钢件的表面，形成富氮硬化层的化学热处理过程。

在工业生产中，常用的工艺方法有：气体渗氮、盐浴渗氮和离子渗氮。

1．渗氮工艺的特点﹝1﹞渗氮后的零件表面具有高的硬度、耐磨性、疲劳强度和低的缺口敏感性。

﹝2﹞渗氮温度较低，一般在500-600℃，而且，渗氮层的高硬度可以由渗氮直接得到，不需要经过较高温度的加热和淬火。

所以，渗氮工艺的变形是最小的，常常作为零件的最后一道工序。

﹝3﹞渗氮层有较高的抗腐蚀性能。

2．渗氮工艺的化学过程渗氮和其他化学热处理工艺一样，也是由分解、吸收、扩散三个基本过程组成的。

﹝1﹞分解渗氮介质﹝通常为氨气﹞通过热分解或其他方法，生成活性氮原子。

﹝2﹞吸收钢表面吸收氮原子，形成氮在铁中的固溶体和氮化物。

﹝3﹞扩散氮从表面高浓度的饱和层向钢内层深处进行扩散，形成一定深度的渗氮层。

3．渗氮层的组织根据Fe-N状态图，渗氮层主要由α、γ、γ，、ε四个相组成。

﹝1﹞α相氮在α-Fe中的间隙固溶体。

最大溶解度为0.1％。

﹝2﹞γ相氮在γ-Fe中的间隙固溶体。

﹝3﹞γ，相为一可变成分的间隙相化合物，含氮量在5.7-6.1％之间，成分符合Fe4-N。

﹝4﹞ε相是含氮量变化范围相当宽的化合物，成分在8.25-11.0％之间变化。

ε相硬度高，脆性大。

4．合金元素的作用碳钢和合金钢中由于碳和合金元素的作用，也影响渗氮层的形成。

碳的存在会使氮的扩散受阻，减小渗氮层的厚度。

钢中大部分合金元素都能形成氮化物，按氮化物的稳定性﹝稳定性越高，硬度也越高﹞次序排列依次为：Ti、Al、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。

所以，为了在表面得到高的硬度和耐磨性，必须向钢中加入能与氮形成稳定氮化物的合金元素。

同时，V、W、Mo、Cr等合金元素还能改善钢的组织，提高心部的强韧性。

合金元素也会使氮的扩散受阻，减小渗氮层的厚度。

﹝二﹞离子渗氮工艺原理离子渗氮渗氮层的形成也是由分解、吸收、扩散三个基本过程组成的。