氮化和氮碳化部件的金相

什么是氮化?

氮化是一种热化学过程，在这种过程中，黑色金属(如钢)的表面富含氮。这导致氮化物层是坚硬和耐磨的，显著提高疲劳强度和耐腐蚀性。

有两种常见的氮化方案:

• 氮化:只使用氮来富集金属。这通常用于低碳，低合金钢，以及铁，钛，铝和钼合金。
• 氮碳共渗:除了氮，还使用少量碳来富集金属。这是最常用的黑色合金。

氮化和氮碳化组分制备中的挑战

在氮化和氮化碳的部件上，在制造过程中，最常需要金相学来控制热化学氮化过程，以及进行失效分析。在这两种应用中，金相学的方法是相同的。

在制备氮化和氮碳化部件时，金相工艺师面临两个主要挑战。


图1:试样和安装树脂之间的收缩间隙会捕获磨料并导致氮化层剥落。


图2:边缘四舍五入:不好的边缘保留会导致图层在高倍放大时不对焦。

对于如何克服这些挑战的完整描述，下载完整的应用说明．

氮化层的组成

氮化层包括复合层和扩散区两部分。两层的厚度取决于各种参数，包括母材的成分、热化学氮化工艺的长度和使用的温度。

复合层的组成
复合层由两个氮化铁相形成:ε (Fe_3.N)和γ ' (Fe₄被称为“白色层”，因为它在用Nital蚀刻后保持白色，该复合层不含任何金属。相反，它由铁和氮形成的非金属相组成。该层相对较硬，硬度随层深的减小而增加。在复合层的外层区域可以发现多孔区。

扩散区的组成
扩散区位于复合层的正下方。它含有固溶体中的氮，以及由合金元素如铝、钼、铬和钨形成的稳定的金属氮化物。这些氮化针可以蚀刻，使扩散区可见，其厚度可测量。

为了进一步了解氮化层的成分、厚度和硬度，下载完整的应用说明．


图3:氮化层的组成。

热化学氮化工艺

常见的氮化工艺有三种。所选择的方法取决于最终氮化组件的具体应用。

氮化工艺简述如下。为了获得过程的详细描述，以及每个过程如何影响氮化组件或部件的性能，下载完整的应用说明．


盐浴渗氮
预热后，将组件浸泡在由碱性氰酸盐和碱性碳酸盐组成的盐浴中。通过氧化和热反应，碱性氰酸盐释放氮和碳，扩散到金属表面。

盐浴氮渗碳后，在氧化盐浴中淬火。这就产生了黑色的氧化铁(Fe_3.O₄)填充复合层的孔隙，并提供额外的腐蚀保护。

• 典型应用:用于汽车工业的零件，如活塞杆，凸轮轴和齿轮，以及用于飞机，海上和机械工程行业的零件。

气体氮化和气体氮碳共渗
在气体氮化中，元件被放置在密封的钟形氮化炉中。当氮化温度达到时，氨进入炉中。当氨与金属反应时，它分解并释放出新生的氮，氮扩散到金属表面。在气体氮碳共渗中，碳被添加到气体中。

• 典型应用:机械主轴，球墨铸铁泵壳，门锁机构，水泵组件和气体压缩机活塞。

等离子渗氮和等离子渗氮
等离子体氮化是在氮/氢气氛中进行的。等离子体是在高压的真空室中产生的。在这种环境下，金属元件作为阴极，真空容器作为阳极。等离子体氮碳共渗工艺相同，但添加了含碳气体。

• 典型应用:由于等离子体氮化允许大量的氮化物层，组件可用于许多不同的应用。这些包括高性能电机中的凸轮轴和曲轴、机床主轴、车身下料模具、耐腐蚀发动机气门和高速钢刀具。

图4:盐浴渗氮钢合金(16MnCr5)， 1% Nital蚀刻。扩散区蚀刻成黑色，多孔区复合层呈白色。


图5:气体氮化碳钢(580°C 1.5小时)。


图6:等离子渗氮碳钢(570°C 6小时)。两种氮化物层都没有多孔区，具有非常好的表面光洁度。

氮化和氮碳化构件的金相制备

在氮化和氮化碳的制备过程中，主要的挑战是在第一步研磨过程中(多孔区)的切屑和(复合区)的开裂。此外，不正确的安装和软布的过度抛光可能导致圆角边缘，这使得在高倍倍率下的厚度测量和评估具有挑战性。


图7:涂层在制备过程中产生裂纹。

下面，我们就如何克服这些挑战给出一些简单的建议。为了更全面地介绍如何准确快速地制备用于金相分析的氮化和氮碳化部件，下载完整的应用说明．

切割/切片:如何避免损伤氮化层

• 在水冷切断机上对部件进行氮化和氮化碳处理。
• 使用氧化铝截止轮。在选择截止轮时，根据组件的硬度进行选择。

安装:如何避免氮化和氮碳化样品的收缩间隙

• 热压缩安装推荐使用纤维增强树脂，如DuroFast。
• 为了改善边缘保留，在安装前将切片标本包裹在一层薄薄的纯铜箔中。

此外，铜色还增强了涂层与安装树脂的对比，这在处理氧化组件时特别有用。


图8:高合金钢(X45CrSi9V)，经盐浴氮碳化、氧化和1%硝酸蚀刻。扩散区被蚀刻成黑色。所述复合层不能与所述安装树脂区分开。


图9:与图8相同，安装铜箔。在铜箔上可以清楚地看到复合层，并且可以测量。


了解更多关于切割和安装

• 在我们的网站上获取更多的知识、专业知识和见解切割而且越来越多的部分。
• 看看我们的切割范围设备、配件及爱游戏ayx官方 ．
• 请看我们的安装范围设备而且耗材．

研磨和抛光:如何确保氮化和氮碳化样品的良好边缘保留

• 平面磨削应采用碳化硅箔/纸。
• 为确保良好的边缘保留:
  -在精磨刚性盘上用金刚石细磨(MD-Largo）.
  -然后在缎面编织的醋酸布上抛光钻石(MD-Dac）.
  -最后用1 μm金刚石或胶体二氧化硅进行简单抛光。

了解更多关于研磨和抛光的知识

• 获取更多关于我们的知识、专业知识和见解研磨抛光段．
• 看看我们的范围研磨、抛光设备及产品爱游戏北京赛车．
• 得到耗材而且配件用于金相磨削和抛光。

氮化涂层研磨和抛光的建议


蚀刻:如何蚀刻氮化和氮碳化样品

• 为了评估多孔区，氮化涂层首先在蚀刻氮化金属试样之前进行检查。
• 蚀刻1-3%的Nital显示白色的复合层。在氮化合金钢中，扩散区也会变暗。
• 为了识别氮化低碳钢中的扩散区，在300°C下加热试样45分钟，然后用1% Nital蚀刻。

图10:合金钢(42CrMo4)，气体氮化(510°C, 36小时)，1% Nital蚀刻。可见黑色扩散区、白色复合层和多孔区。

下载完整的应用说明得到一种经过验证的氮化和氮碳化部件的分步制备方法。

氮化和氮碳化部件的材料结构

热化学氮化工艺通过在表面富集氮，在某些情况下，还可以富集少量碳，从而提高金属部件的耐磨性和耐腐蚀性。有三种氮化过程，都导致非常坚硬的氮化表面，由复合层和扩散区组成。

氮化和氮碳化部件的金相主要用于控制氮化过程的质量和故障部件的分析。

在对氮化和氮碳化部件进行加工时，金相学家面临两个主要挑战:在切割和磨削过程中，氮化层可能会开裂或开裂;不正确的安装和抛光会导致边缘准备效果不佳。为了克服这些挑战，金相学家应遵循为氮化和氮碳化部件设计的特定方法，如本应用说明所述。

下载完整申请说明请点击此处．


图11:气体氮化的铁素体球墨铸铁，用3%的硝酸(500x)蚀刻。

深入了解其他材料

了解更多关于其他金属和材料的材料学。查看我们的材料页面．


所有图片均由中国应用专家Charily Zeng提供

有关粉末冶金零件金相制备的具体信息，联系我们的应用专家．