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工程材料论文：38CrMoAl钢磁场辅助离子渗氮技术
来源：985论文网 添加时间：2020-07-17 06:44
摘要
38CrMoAl钢是一种中碳合金钢，是工程中广泛应用的材料之一。 具有较高的表面硬度，耐磨性和疲劳强度，以及良好的耐热性和耐腐蚀性。 38CrMoAl钢也是一种常见的氮化钢，一般要求表面硬度高，耐磨性好。 同时，铁心强度高的氮化件一般采用38CrMoAl钢。
本文分为了三部分来阐述第一部分是对38CrMoAl 钢相关简介，其内容包含38CrMoAl 钢简介、38CrMoAl钢的成分及组织状；第二部分对离子渗氮进行了相关介绍，其内容有离子渗氮简介、离子渗氮的优点、离子渗氮的发展历程、离子渗氮的应用；第三部分是磁场辅助离子渗氮技术，其内容包含了活性屏离子渗氮技术、磁场效应、磁场辅助离子渗氯。本文的研究，以期为研究38CrMoAl钢磁场辅助离子渗氮技术这方面的学者及参考者做参考。
关键词：38CrMoAI钢；中碳合金钢；渗氮；离子
Abstract
38CrMoAI steel is a kind of medium carbon alloy steel, which is widely used in engineering. It has high surface hardness, wear resistance and fatigue strength, as well as good heat resistance and corrosion resistance. 38CrMoAI steel is also a kind of common nitriding steel. Generally speaking, the parts with high surface hardness, good wear resistance and high core strength are generally made of 38CrMoAI steel.
This paper is divided into three parts to elaborate the first part is the introduction of 38CrMoAl Steel, which includes 38CrMoAl Brief introduction of steel, composition and microstructure of 38CrMoAl Steel; the second part introduces ion nitriding, including introduction of ion nitriding, advantages of ion nitriding, development course of ion nitriding and application of ion nitriding; the third part is magnetic field assisted ion nitriding technology, including active screen ion nitriding technology, magnetic field effect and magnetic field assisted ion nitriding. The research of this paper is expected to be a reference for scholars and references in the field of magnetic field assisted ion nitriding of 38CrMoAl Steel.
Key words: 38CrMoAI steel; medium carbon alloy steel; nitriding; ion
目 录
前言 4
1 38CrMoAl 钢相关简介 4
1.1 38CrMoAl 钢简介 4
1.2 38CrMoAl钢的成分及组织状 4
2 离子渗氮相关介绍 6
2.1 离子渗氮简介 6
2.1.1 渗氮基础 6
2.1.2 渗氮过程中组织的形成及氮的扩散 8
2.1.3 等离子体概念 8
2.1.4 辉光放电 9
2.1.5 气体放电伏安特性曲线 9
2.2 离子渗氮的优点 10
2.2.1 “绿色” 10
2.2.2 缩短处理时间 10
2.2.3 节能 11
2.2.4 无需再加工 11
2.2.5 适应范围广泛 11
2.3 离子渗氮的发展历程 11
2.4 离子渗氮的应用 12
2.4.1 汽车零件 12
2.4.2 注塑成型机零件 12
2.4.3 大型零件 13
2.4.4 金属模具 13
2.4.5 切削工具 13
3 磁场辅助离子渗氮技术 14
3.1 活性屏离子渗氮技术 14
3.2 磁场效应 15
3.3 磁场辅助离子渗氯 15
结语 15
参考文献 17
前言
38CrMoAl钢具有良好的耐热性和耐腐蚀性，经氮化处理后可获得高表面强度，高疲劳强度和良好的耐过热性，无回火脆性，可加工性尚可，高温工作温度可达500摄氏度，但塑性低，焊接性差，冷变形时淬透性低，因此一般在调质氮化后使用，是最常用的氮化钢种之一。
通常，38CrMoAl钢表面硬度高，耐磨性好，芯部强度高，被广泛应用于氮化件。 迄今为止，38CrMoAl钢离子氮化后的组织和性能得到了学者们广泛而深入的研究，但离子氮化的机理还有待进一步探讨。
1 38CrMoAl 钢相关简介
1.1 38CrMoAl 钢简介
38CrMoAl钢是一种中碳合金钢，是工程应用广泛的材料之一。 具有较高的表面硬度，耐磨性和疲劳强度，良好的耐热性和腐蚀性，淬透性低。
38CrMoAl钢是一种先进的氮化钢，主要用于高耐磨性，高疲劳强度和热处理后强度更大，尺寸更精确的氮化件。 或各种冲击负荷低，耐磨性高的氮化物零件，如锂电棒，磨床主轴，自动车床主轴，蜗杆，精密丝杆，精密齿轮，高压阀，阀杆，量规，模板，辊筒，仿模，汽缸体，压缩机活塞杆，汽轮机上的调速器，旋转套，固定套，橡塑挤出机上的各种耐磨件等，但较大的零件不宜使用38CrMoAl钢 。
1.2 38CrMoAl钢的成分及组织状
38CrMoAl钢的成分及组织状态如表1所示
表1 38CrMoAl钢的化学成分及组织状态
c Cr 化学成分（质量%） 处理状态
组织
Mo Al Si Mn p s
0.35 1.35 0.15 0.70 0.2 0.30 930℃加热油淬，640℃火2小时 回火索氏体
- - - - - - =0.03 =0.03
0.42 1.6 0.25 1.10 0.4 0.60
38CrMoAl钢的机械及物理性能如表2所示
表2 38CrMoAl钢机械及物理性能
牌号 抗拉强度
(Mpa) 屈服强度
(Mpa) 伸长率
(%) 断面收缩率
(%) 冲击功
(J) 冲击韧性值
(J/cm2) 硬度
(HB)
38CrMoAl =980 =835 =14 =50 =71 =88 =229
2 离子渗氮相关介绍
2.1 离子渗氮简介
离子氮化又称辉光离子氮化，是利用工件与炉壁之间气体产生的辉光放电，在低压含氮气氛中进行氮化的一种表面化学热处理方法。 经离子氮化处理后，材料的表面硬度，耐磨性，疲劳强度和耐腐蚀性能均可显著提高。
2.1.1 渗氮基础
渗氮又称氮化网，是一种将氮原子渗入工件表层以获得表面硬化层的化学热处理工艺。 一般采用气体渗氮。 在氮化过程中，金属零件被置于活性氮的介质中。 在一定的温度和保温时间下，氮元素渗入金属表层，从而改变了金属表层的化学成分，使其具有较高的疲劳强度，耐磨性，耐蚀性和耐烧性。 氮化件广泛应用于机械工业和航空工业。
判断渗氮钢件组织和性能的最重要依据之一是Fe-N合金相图（图1）。 在氮化过程中，铁和氮之间必须形成氮化物和固溶体。因此，研究铁和氮的化合物和固溶体作为氮化的基础。
图1 Fe.N合金相图
图1所示为Fe-N合金相图，图中的a. y与Fe-C系合金相图中一样，分别 为铁素体和奥氏体。
图2氮在a-Fe中的固溶极限
图2所示为Fe-N合金相图中N在q-Fe中的固溶极限，图1.3为Fe-C合金 相图中C在a-Fe中的固溶极限。
图3碳在a-Fe中的固溶极限
从图1-3可看出碳、氮溶解度的巨大差别。590℃时氮在a-Fe中溶解度为 0.11%,而在常温时则在0.01%以下。在Fe-C系的0点（725℃）, 中碳在的 溶解度仅为0.022%,而氮的固溶度约为碳的4.5倍。
2.1.2 渗氮过程中组织的形成及氮的扩散
气体氮化和离子氮化的形成过程和氮原子扩散机理相同，但两种氮化方法在氮化样品表面获得活性氮原子或氮离子的途径和机理不同，其能量也不同，两种方法的氮化速度也有很大差异。
以纯铁渗氮为例，活性氮原子在不断渗入过程中，将持续导致其表层组织的 改变，改变规律符合Fe-N状态图。渗氮温度低于共析温度（590℃）时，铁中的a 相首先被氮饱和，当a相中的氮含量过饱和时，便岀现了反应扩散，即通过相变 反应生成 相。随着时渗氮的继续进行，氮在 相中也必然出现过饱和，此时 在渗氮试样表面就会生成 相， 相的生成方式与相相同，均通过反应扩散方 式长大。由此可看出，当渗氮时间足够长时，纯铁的组织由表及里依次为 、 及 a相。
渗氮的各个阶段，渗氮层形成速度的决定性因素是不同的。
渗氮初期,炉内气体氮势、渗氮试样表面吸附活性氮原子的能力以及氮在
中的扩散速度均对渗氮速度有着较大的影响。随着渗氮的继续进行，渗氮试样表 面形成完整的渗氮层后，氮在 、a相中的扩散速度决定了 、 、a相的生长速度，需要指出的是，氮的扩散速度最慢的相对渗氮速度起着决定性作用。在 渗氮过程中，活性氮原子必须首先通过渗氮层表面的a相才能到达 及a相，同 时活性氮原子在 相中的扩散速度比它在a相中的扩散速度小很多，因而氮在 相中的扩散速度对整个渗层的增长速度起着决定性作用。氮在 相的扩散速度虽 然也很低，但 相与a相相邻，氮在a相中的扩散速度却很快，这就导致了 相 的厚度较薄，因而对整个渗层厚度增长速度的影响远不及 相大。
2.1.3 等离子体概念
等离子体(iv)是由大量带电粒子即离子和电子即处于离子状态的电离气体原子或分子组成的，一般呈电中性。 就简单的加热过程而言，只有将气体加热到几十万摄氏度的高温，才能获得这样的离子状态。 而如果通过电产生辉光放电，就很容易达到这样的离子状态，这也是目前获得离子体的主要方法。 此外，离子体也可通过电磁波能量法，高能粒子等方法获得，但其实际应用率远低于气体辉光放电法。
2.1.4 辉光放电
辉光放电是一种像氛围灯一样伴随着非常柔和的辉光的放电过程。 它是在低压气体中产生的连续放电过程。 根据物理原理，辉光放电是由气体的原子和分子在电场中激发产生的。 生成的具体过程称为:
（1）粒子加速过程。
离子氮化过程中，氮化炉内阴极和阳极之间存在较大电压，从而产生电场力，使炉内原有带电粒子产生定向加速运动。
（2）气体分子的电离过程。
在连续定向加速过程中，带电粒子的速度达到一定阈值时，可以与气体分子发生碰撞，电离产生正离子和电子。
（3）正离子轰击阴极的过程。
电离产生的正负离子也会在电场力作用下发生定向加速，正离子在电场力作用下直接向阴极运动，轰击阴极表面后产生二次电子。 当每个正离子轰击阴极表面产生的二次电子数大于1时，气体可形成自放电，从而产生辉光放电过程(iv)。
2.1.5 气体放电伏安特性曲线
离子渗氮过程中的气体放电过程不能像通常那样用欧姆定律来解释，但也有其特定的规律。 放电过程根据其特点可分为五个区域，如图。 4辉光放电伏安特性曲线：
图4辉光放电伏安特性曲线
（1）汤森德放电区（AB段）
随着电压升高，由于电子的作用，气体开始激发电离，产生电子和正离子，同时增加电流。 当达到一定电压时，称为最弱连续放电的A-B范围，即汤姆逊放电区。 在此区间内，由于电流较小，影响较小。
（2）非自持放电区（BC段）
随着气体的电离，放电气体的电流不断增大，电压反而降低。 此时，电流的增加不需要通过提高电压来实现，而是通过不断电离气体，产生正离子和电子，电离的电子不断电离更多的气体分子。
（3）正常辉光放电区（CD段）
当非自持放电区域持续到一定阶段时，电流继续增大，而电压稳定在固定值。 这一过程称为正常辉光放电。 可以看出，虽然这个区间的电压很稳定，但是电流密度还是比较小的。
（4）异常辉光放电区（DE段）
在此区间内，随着电压的升高，电流急剧增加，可获得较强的电流密度。 此时阴极已被辉光覆盖。 进行离子氮化时，多在这一区域进行。 这主要是因为阴极工件在完全被辉光覆盖的情况下，可以被均匀加热。
（5）弧光放电区（EF段）
在电弧放电区，电流比反常辉光放电区大，电压在增大的同时急剧下降。 这类似于短路过程。 此时放电局部集中，能量也集中。 如果此时对工件进行离子渗氮，必然导致工件局部受热过大，根本不能满足渗氮处理的要求。 该区域不宜进行离子氮化处理。 而电弧放电区由于能量集中的特性，可以用来熔化或焊接金属。
2.2 离子渗氮的优点
离子渗氮具有以下几个方面的特点：
2.2.1 “绿色”
传统的气体渗氮，盐浴渗氮等渗氮工艺都存在污染问题。 离子氮化所用气体为氮气或氢气，氮化过程中不会产生对环境有害的废气和废液。 同时，采用离子渗氮时，渗氮过程中的气体消耗实际上很少，因而对节能减排具有重要意义。 此外，离子氮化的工作环境非常清洁，不需要放置有公害的特种设备，不会对操作人员的身体造成不良影响。
2.2.2 缩短处理时间
与常规氮化相比，离子氮化所需时间比其它氮化方法要短得多。 例如，气体氮化的时间一般为20小时左右，而离子氮化的时间只有它的四分之一左右，为4-6小时。
离子氮化之所以能缩短氮化时间，是因为氮化过程中活性氮原子的扩散不仅能沿晶界扩散，而且主要通过晶内反应扩散。 在这种双扩散模式下，活性氮原子的扩散阻力比其它氮化方法小得多。 此外，离子氮化过程中特殊的阴极溅射工艺和氢还原，可使氮化试样表面固有的氧化物和氮化过程中形成的碳化物溅射或还原，使氮化试样表面时刻处于高活性状态，这对缩短氮化时间也有相当大的作用。
2.2.3 节能
由于离子氮化法采用辉光放电直接加热工件，不需要专门加热保温设备，辉光放电覆盖整个阴极表面，可实现对氮化试样均匀加热，加热效率比间接加热法提高2倍以上，达到节能效果（能耗仅为气体氮化的40～70%)。 另外，由于离子渗氮是在低压下通过离子注入进行的，所以气体消耗很小，只有气体渗氮的百分之几。 因此，无论对于电还是气，离子氮化处理所需的量都较少，完全可以满足节能降耗的要求。
2.2.4 无需再加工
由于离子氮化是在真空中进行的，因此在不破坏处理工件表面粗糙度的情况下，可以获得无氧化加工表面。 而且由于处理是在低温下进行的，处理后的工件变形极小，处理后不需要进一步加工，极其适合于成品的处理。
另外，渗氮层中的化合物层一般由 、 两相组成，脆性较大，而离子渗氮 可通过调节氮势使渗氮层化合物层仅由单相组层，这就可以显著的提高渗氮层韧 性，达到使用要求。
2.2.5 适应范围广泛
子氮化材料的范围极其广泛，从黑色金属，有色金属到稀有金属都可以通过离子氮化进行表面处理。 同时离子氮化的温度范围也很宽，从380℃就可以进行氮化，而钛等特殊材料在850℃仍可以进行离子氮化。
2.3 离子渗氮的发展历程
自气体放电气氛钢氮化获得专利以来，离子氮化技术已发展了近80年。 然而，在离子氮化刚刚推出的时候，科学家们还没有很好的解决在大电流辉光放电条件下稳定运行的问题，导致离子氮化在前30年发展缓慢，无法在工业上得到广泛应用。
表3预测各种营业性熟处理工艺的发展趋势
处理方式 增加 预测意见所占比例(％)减少 不变
离子渗氮 95 — 5
真空 95 6 —
流动粒子炉 81 12 7
激光 79 — 21
离子注入 79 — 21
高频感应 73 — 27
电子束 57 — 43
煤气燃烧炉 44 19 37
电炉 44 31 25
传统感应 23 39 38
盐炉 13 80 7
2.4 离子渗氮的应用
由于离子氮化具有绿色，高效，节能，无需再加工，使用范围广等优点，在工业上有着广泛的应用，对生产率的提高有着深远的影响。 下面以其在各行业的应用为例。
2.4.1 汽车零件
首先， 介绍了四缸汽车的摇臂， 该零件材质为37Cr4(C含量为0.32-0.4%，Cr含量为0.9-1.2%)AISI5135，在传统的液体软脱盐工艺中，实现装料，加热，氮化(570EC*2小时），冷却，后处理（清洗）需要5小时，而采用离子氮化时，氮化时间为580C，氮化时间仅为1小时，整个过程也仅需3小时左右，经过离子氮化处理的零件使用寿命比传统方法提高了1.5倍。
此外，汽车上的凸轮轴，曲轴，换向接头，气门，传动齿轮等也进行了离子氮化处理。
以便处理。 例如，小曲轴经过1-2小时离子渗氮后，耐磨性和疲劳强度显著提高，而且还具有防止变形的作用。 同样，大型曲轴离子渗氮与传统的渗氮方法相比，不仅可以缩短渗氮时间，而且处理后径向膨胀很小。 转子发动机零件过去只能采用昂贵的渗铝工艺，现在也可以采用离子渗氮处理。
2.4.2 注塑成型机零件
注塑机由各种尺寸的零件安装。 由于塑料中含有玻璃纤维，氧化物，石棉等增加磨损的物质，因此，在许多场合，要求注塑机的零件具有较高的耐磨性。 同时，也希望可以省略因尺寸变化而进行修正的附加过程。 坚决希望热处理变形尽可能控制在最小范围内。 在这方面，离子渗氮是最有效的处理方法。
实践证明，离子渗氮可使注塑机许多零件具有较高的耐磨性，达到耐用的目的。 注塑机的注射螺杆是不锈钢制成的。 离子氮化后，其使用寿命明显提高，比常规氨氮化处理的零件寿命提高5-9倍。 螺杆重2000斤，长7.5米。 它垂直悬挂在9米高的离子氮化装置中。 离子渗氮处理后，在7.5米的长度上轴向变形仅为0.3mm。 同样，复合注射棒也经过离子氮化处理，其材质为31CrMoM)9(C含量为0.31%，Cr含量为2.20-2.50%，Mo含量为0.15-0.20%，V含量为0.10-0.15%)，离子氮化后防止了变形，提高了耐磨性和抗咬合性。
2.4.3 大型零件
在大型零件的化学热处理过程中，离子氮化也占有很大的比重，起着不可或缺的作用。 传动机上重400公斤，直径1.5米的大型传动齿轮也适用于离子渗氮处理。 齿轮材料为42CrM04(0.4%C，11.0%Cr和0.20%Mo），在530℃下氮化，氮化层厚度约0.6mm，氮化时间比氨氮化时间大大缩短。 重1560公斤，长2.0米，模数14的大型齿轮轴也采用42CrM04材质，离子渗氮后能有效防止变形，提高耐磨性和齿根强度
2.4.4 金属模具
首先介绍了铝合金压铸模的离子渗氮。 复合层的硬度为
HV1100T200，固体能保持铝液良好的流动性，减少溶解损失，提高其耐磨性。 同时，由于扩散层深度较大，减少了热裂现象，在350-500℃低温范围内离子渗氮也解决了变形问题。
离子氮化也用于推杆和凹模。 未经处理的推杆可工作10万次，凹模可使用3000次。 经离子氮化处理后，推杆可工作2800000次，凹模可工作10000次，两者使用寿命提高约3倍。 特别是凹模价格昂贵，离子氮化工艺对其具有很大的经济效益。
在锌合金压铸模具的应用中，由于锌中所含的铁粉会通过熔焊附着在金属模具上，因此复合层的厚度和组织比扩散层对使用寿命的影响更大。 因此，氮化处理时间最好较短，可采用离子氮化处理。
在冷冲压模具方面，成功的离子很多，但也有一些失败的案例，有待进一步探索和研究。 而对于开裂等问题，从其处理能力的角度来看，离子氮化无疑是最合适的。
2.4.5 切削工具
离子氮化也可用于丝锥，钻头，矛刀等刀具，以提高其使用寿命。 鉴于离子渗氮的许多独特优点，滚刀，剃齿刀，插齿刀，拉刀，发夹刀等刀具的表面硬化都采用了离子渗氮。 经离子氮化处理的刀具表面硬度大，变形小，可大大提高使用寿命。 随着科学技术的不断发展，离子氮化和气相沉积相结合的表面处理方法已成功地应用于各种刀具的制造。 与单一离子氮化处理方法相比，氮化与气相沉积联合处理具有更明显的优势，处理后的刀具质量更好，使用寿命更长。
离子渗氮在工业上的成功应用还表现在其他方面。 近年来，离子渗氮的应用范围越来越广泛，渗氮技术日趋成熟，对生产率的提高产生了广泛而深远的影响。
3 磁场辅助离子渗氮技术
3.1 活性屏离子渗氮技术
活性屏离子氮化(ASPN)是一种新型的离子氮化技术。 由于其独特的结构，利用该技术开展离子氮化机理和应用的基础研究十分方便。
单个线圈产生的磁场覆盖范围有限。 为了在更大范围内产生磁场，通常需要将多个通电线圈按一定顺序排列。 各线圈产生的磁场在空间上叠加，从而增加了磁感应强度，提高了磁场的均匀性。
与普通直流离子渗氮技术不同，有源屏离子渗氮技术是将高压直流电源的负极连接到真空室内的铁网筒上，加工后的工件置于网罩中间，工件电悬浮或连接100V左右的直流负偏压。 当接通直流高压电源时，低压反应室内的气体发生电离，在直流电场的作用下，产生磁场。 这些活化离子轰击圆柱体表面，离子撞击的动能在圆柱体表面转化为热能，对圆柱体进行加热。 同时，在离子轰击下连续溅射出铁或铁的氮化颗粒。
在活性屏离子渗氮过程中，气缸同时起着两个作用:
通过热辐射将工件加热到氮化处理所需的温度；
向工件表面提供铁或氮化铁的微粒颗粒。
当这些颗粒吸附到工件表面后，氮含量高的颗粒扩散到工件内部，达到渗氮的目的。 在活性屏离子氮化过程中，气体离子轰击圆柱体，而不是直接轰击工件表面，因此解决了直流离子氮化技术中存在的问题，如工件起弧，电场效应，温度测量等，由于活性屏离子氮化处理过程中不发生电弧现象，对离子氮化电源的要求也大大降低，而且还可以去掉过去消耗大量电能的限流电阻。
活性屏离子渗氮技术的特点是在渗氮过程中，工件处于悬浮状态，离子轰击的是金属屏而不是工件本身。 与传统离子渗氮相比，该技术可以处理不同形状的工件，消除边缘效应，方便地测量工件温度。
实验证明，活性屏离子渗氮可以达到与普通直流离子渗氮相同的处理效果，甚至可以对奥氏体不锈钢进行渗氮处理。 因此，活性屏离子渗氮技术的出现是直流离子渗氮技术的一大进步，是普通直流离子渗氮技术的有力竞争者。
图5活性屏离子渗氮示意图
3.2 磁场效应
在一般辉光放电的真空容器中，放置两个平行的扁平阴极。 放电时，两种阴极产生各自的阿斯顿暗区，阴极光膜区，阴极暗区和负辉光区，而法拉第暗区和正柱区是常见的。 如果我们试图使两个阴极板G1和G2彼此靠近，两个板产生的负辉光区合并，此时，从G1发出的电子在G1板的阴极电位降区加速，而当它们进入阴极G2产生的阴极电位降区时，则被减慢。 如果这些电子没有引起其他粒子的电离和激发，电子在G1和G2之间来回振动，增加了电子与气体分子的碰撞几率，引起更多的激发和电离过程。 此时电离密度增大，负辉光强度增强。 这种现象称为空心阴极放电（或效应） 。
3.3 磁场辅助离子渗氯
磁场辅助离子渗氮是活动屏离子渗氮的改进和发展。 由于活性屏离子渗氮设备是由炉内的网状圆柱体组成，虽然离子冲击的动能在圆柱体表面转化为热能，但由于圆柱体是网状的，不能保证气流温度沿固定方向接近试验样品，不仅浪费了大量的能量，而且不能达到较好的渗氮效果。 磁场辅助离子渗氮改善了活性屏离子渗氮的这一缺点，大大节约了能源，获得了良好的渗氮效果。
结语
38CrMoAl钢是一种常见的高等级氮化钢，在工业领域有着广泛的应用，特别是38CrMoAl氮化钢在制造各方面性能要求都很高的精细零件方面有着不可替代的作用。 常规气体渗氮虽然可以满足渗氮钢的大部分性能要求，但存在渗氮时间长，耗气量大，不节能，不环保等诸多问题，随着模拟技术的进步，磁场设计方法更加完善，甚至可以根据磁场类型设计磁体的布置和电流参数的设置。 相关技术为磁场辅助处理设备提供了软件支持。 随着关键科学问题和核心技术问题的解决，磁场辅助加工技术将焕发新生，取得突破性进展。 期待更多的学者加入到这一领域的研究中来。
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