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摘要：本文從氮化金相組織結構原理上解釋了42CrMo等材質的氮化件氮化硬度與調質硬度的關系，生產實踐中必須注意調質硬度與氮化硬度的對應關系，如果調質硬度偏低，即使進行二次氮化，氮化硬度也很難達到要求值。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
1 引言 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
一些氮化工件如：42CrMo 、35CrMo或38CrMoAl材質的蝸桿、接手、齒輪、齒條等工件，都要求先進行調質，然后再做氮化。對于其氮化硬度一般都要求大于HRC50或大于HRC55或更高。對于這一硬度要求，大家是比較重視的，但是對于氮化前的調質硬度，人們普遍都不夠重視。認為它不過是一個預備熱處理，是無關緊要的。其實這種認識是錯誤的，通過長期生產實踐我們認識到工件氮化硬度與其調質硬度有著很密切的關系。對于調質硬度偏低的工件，其氮化后的硬度也偏低。即使進行二次返修氮化，硬度也上不去。以前人們認為影響氮化件硬度的主要因素是氮化溫度，但是多年生產實踐說明，這僅僅是試驗室中得出的結論，比如：500℃滲氮和600℃滲氮相比，硬度有所提高。但是在生產實踐中，氮化溫度已經優化，比如520℃，再降低溫度，比如500℃或者480℃，對其硬度影響很微小。而影響其硬度的主要因素，倒是其調質硬度。Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
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2 42CrMo蝸桿調質硬度與氮化硬度的關系 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
例如：42CrMo材質的蝸桿，采用以氨氣為氣源的離子氮化，溫度為520℃±10，調質硬度與氮化硬度的關系如表一所示。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
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表一 42CrMo蝸桿氮化硬度與調質硬度的關系 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
Table 1 The relation between hardness of quench and tempering and nitriding hardness for worm Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
調質硬度 HB200-220 HB230-250 HB260以上 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
氮化硬度 HRC44-48 HRC49-52 HRC≥55 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
由以上數據可以看出，氮化硬度要求≥55HRC的蝸桿，其調質硬度必須在HB260 以上。這些數據都是從多年生產實踐中總結出來的。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
氮化工件的調質硬度與氮化硬度有以上關系的原因，可以從氮化原理方面進行解釋。Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
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3 氮化原理 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
零件經過氮化以后，它的表層組織由于氮的滲入而發生了變化。由鐵氮系狀態圖中可知，其形成五種相，即α相、γ相、γ′相、ε相和ζ相。α相是氮在α-Ｆe中的間隙固溶體，α相在緩慢冷卻過程中將析出γ′相。γ相是氮在γ-Fe中的間隙固溶體，即含氮奧氏體。緩冷時γ相發生共析反應，生成共析組織（α+γ′）。γ′相是有序面心立點陣的間隙相，存在于680℃以下。γ′相有較高的硬度（HV550）和韌性。ε相是含氮范圍很寬的間隙相化合物，室溫時含氮量為8.1-11.1%，成分近似于Fe2-3N。隨著溫度的降低，ε相中不斷析出γ′相。ζ相是以密排六方點陣為化合物Fe2N為基的間隙固溶體，含氮在11.1-11.35%范圍內，性脆、耐腐蝕。氮化層的組織習慣上都說成由白亮層、α＋γ′、α這三層組成。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
合金鋼中氮化層的形成，氮不僅與鐵發生作用，而且與合金原素也發生作用。如果在590℃以下進行氮化，氮首先溶入α-Fe中形成α相。當氮達到α-Fe的飽和濃度后，便與氮化物形成原素發生作用，按照氮與合金元素親和力的強弱，依次形成氮化物。例如38CrMoAlA，先形成極為彌散的氮化鋁，然后形成氮化鉬，最后形成氮化鉻。合金元素與氮的親和力越大，所形成的氮化物越穩定，熔點、硬度也越高。氮化物的穩定性按下列次序降低，即Ti、Al、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe的氮化物。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
合金原素對氮化層的強化機理有兩種解釋，一是認為這些氮化物在滲層中是高度彌散均勻分布，對滲層起著彌散強化的作用。有人測定出38CrMoAl鋼中的氮化物尺寸為200－300Å，主要分布在嵌鑲塊的邊界上，對滑移有阻礙作用，從而產生顯著的強化效果。二是近年耒提出的氮化強化機理，認為鋁、鉻、鉬等合金元素，都顯著提高氮化層硬度，是因為隨著 氮原子向里擴散，在滲層中依次產生： Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
⑴氮和合金原素的原子偏聚，形成所謂G-P區； Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
⑵有α〞-Fe16N型過渡氮化物的析出，使母相晶格產生很大的彈性畸變，由于與母相共格的偏聚區和過渡氮化物周圍的彈性畸變應力場的作用，使位錯運動受阻，從而硬度急劇提高。圖1是G-P區示意圖。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
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盤狀G-P區 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
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圖1氮化過程中形成置換和間隙兩種原子的混和G-P區示意圖 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
Fig 1 Mixed area G-P schematic sketch for two kinds of atomus formed-displaced atom and interval atom in course of nitration Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
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4 調質硬度與氮化硬度有相對應的關系 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
35CrMo、42CrMo等材質的蝸桿，在氮化前都要做調質處理。調質淬火一般均采用油冷，根據其連續冷卻C曲線可知，經油冷淬火后，得到貝氏體十馬氏體的混合組織。再經回火后，得到回火索氏體組織。回火溫度低，硬度高、晶粒細；回火溫度上升，硬度下降，晶粒也隨著長大。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
晶粒界與亞晶界乃是不同取向的晶體之間的界面，相鄰晶體之間，只是取向不同，而晶體結構相同，化學組成也基本上是一樣的。直到目前，人們認識到晶粒界的寬度相當窄，僅數個埃。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
晶界吸附現象在鋼中很普遍，試驗證明，C、N、B、P等元素在鋼中皆有不同程度的晶界吸附，根據這一理論，N在晶界處的含量是較高的。于是N在晶界處與合金元素及其他雜質形成第二相質點，對晶界運動起到阻礙作用。這樣就使材料的強度、硬度提高。調質鋼的調質硬度越高，回火溫度越低，其晶粒越細、晶界越密。氮化后吸附了較多N的晶界對晶面滑移的阻力越大。這就是從晶界和亞晶界理論解釋調質硬度與氮化硬度有對應關系的原因。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
從近年耒提出的氮化強化機理，如何解釋調質硬度與氮化硬度的對應關系呢？我們可以這樣來解釋：調質硬度高、回火溫度低、晶粒也細小，這樣在晶粒內形成的G－P區及α〞-Fe16N型氮化物的析出也細小而彌散度高，于是對滑移的阻礙作用大，強度、硬度也高。這就是從近年耒提出的氮化強化機理解釋調質硬度高氮化硬度也高的原因。以上兩種理論，一個從晶界、一個從晶內這兩個方面說明了生產實踐中調質硬度高氮化硬度也高的現象。Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
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5 提高大型蝸桿氮化硬度的方法 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
對于35CrMo、42CrMo等材質的蝸桿，我們采用氨氣做氣源的離子氮化，溫度是520℃。因為溫度過高氮化硬度會下降，溫度過低氮化速度太慢，經濟效益低。所以經過長期的生產實踐我們選擇了這一優化的氮化溫度。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
調質回火溫度必須高于這一氮化溫度。這樣就影響了一些大型蝸桿的調質硬度。如長2米左右，齒部外園在φ3OOmm左右的蝸桿，油冷淬火后用高于520℃的溫度回火時，硬度很難高于220HB，這就影響了其氮化硬度，于是我們改用水冷淬火，就很好地解決了這一問題。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
6 結論 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
⑴氮化件的調質硬度與氮化硬度有互相對應的關系。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
⑵氮化件氮化硬度與調質硬度之所以有這種關系，是由于氮化件的金相組織結構造成的。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
⑶生產實踐中為了保證工件的氮化硬度，必須使其調質硬度達到相對應的值。 Der熱處理技術網 — 熱處理行業的超級智庫 CHTE 最全的熱處理技術信息網站 熱處理技術網 CHTE
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