渗氮钢合金结构钢

当合金结构钢采用与氮亲和力很强的铝、钛、铌、钒、铬、钼和钨等元素进行合金化时，钢的氮化处理效果增大。通常采用的渗氮钢是中碳铬钼铝钢，38CrMoAl就是成熟的牌号之一。渗氮可采用气体、盐浴或颗粒的渗氮剂，通常在500～590℃之间进行氮化处理，使钢材表面富集氮，生成氮化物，改变钢表层的组织结构，产生HV700～1200的高硬度表层，达到提高钢材在静载荷和交变应力作用下的强度性能、耐磨性能和耐腐蚀性能。纯铁、碳素钢及含镍、钴的合金结构钢，通常是不适合作渗氮基体钢的。

应当指出，适宜于渗氮的钢很多，为了获得最好的表面层性能和 心部性能，根据不同需要选择不同的钢号，常用渗氮钢的性能及 用途见表1。

38CrMoAl钢

38CrMoAl钢是常用的典型渗氮用钢，其中铝与氮有极大的 亲和力，是形成氮化物，提高渗氮层强度、硬度的主要合金元 素。AlN很稳定，到约1000℃的温度在钢中不发生溶解。由于铝 的作用使钢具有良好的渗氮性能，此钢经过渗氮后表面硬度高达 1100～1200HV（相当于67～72HRC）。钢中的铬、钼也能形成氮 化物，提高渗层硬度，还能提高钢的淬透性和回火稳定性，消除 因含铝造成的晶粒粗大，提高钢的强度和韧度。此外，钼还有消 除钢的回火脆性的作用。

38CrMoAlA钢

38CrMoAlA钢的淬透性并不高，油淬时其临界直径为30mm 左右。厚度在50mm以下的，可采用油淬; 厚度超过50mm的， 多采用水淬油冷。38CrMoAlA钢的脱碳倾向较严重，若表面脱碳 层没有除尽，渗氮时易在渗氮层表面形成一种针状氮化物，不仅 使渗氮层硬度降低，也使渗氮层变脆。含铝高的钢，钢液黏性 大，冶金质量难控制，钢材易出现偏析、夹杂、发纹、岩石状断 口及层状组织等缺陷。38CrMoAlA钢的化学成分及热加工规范见 表8-5。

渗氮钢一般用顶底复吹转炉或电炉生产。由于含铝的渗氮钢铝含量高，钢液的粘性较大，易于生成硅酸铝夹杂物，铝在钢中分布不均匀而生成点状偏析，影响钢材质量。用作重要零件的含铝渗氮钢，应再加电渣重熔。渗氮钢轧制或锻造后应进行正火处理以改善组织。有时为了提高切削性能，需进行完全退火或不完全退火。零件粗加工后进行调质处理，之后进行精加工。为了消除调质和精加工所产生的残余应力，可在550～600℃退火。精加工通常只是将零件氮化层最表面的白层（ε相）研磨掉，不再加工。

渗氮的目的是为了提高结构件、工具、模具的硬度、耐磨性 以及疲劳寿命，提高工件在腐蚀介质环境的耐蚀性。渗氮钢种的 含碳量包括了从低碳到高碳的范围，它们可以是碳钢也可以是合 金钢。如果用碳钢进行渗氮，形成稳定性不高的Fe₄N和Fe₂N， 温度稍高，就容易聚集粗化，表面不可能得到更高的硬度，并且 其心部也不能具有更高的强度和韧性。为了在表面得到高硬度和 高耐磨性，同时获得强而韧的心部组织，必须向钢中加入一方面 能与氮形成稳定的氮化物，另外，还能强化心部的合金元素，如 Al、Ti、V、W、Mo、Cr等，均能和氮形成稳定的化合物。其中 Cr、W、Mo、V，还可以改善钢的组织，提高钢的强度和韧性。

（1）提高氮化工艺性能。铝、钛、铌、钒、铬、钼、钨等是形成氮化物元素。它们在α相中形成超显微的氮化物颗粒，对α相起弥散硬化作用，形成的氮化物越强，则弥散硬化作用越大。这些元素中铝、钛、铌、钒最有效，铬、钼等次之。如果表面硬度需要在HV900以上，采用强氮化物形成元素铝或钒等的钢种;若表面硬度不需要超过HV900，可以采用含铬钼、钨的钢种。

（2）使钢具有足够的淬透性。钢在渗氮后表面形成的高硬度氮化层，既薄（一般为0.4～0.7mm）又脆，需要有一个强度高的内层来支持，同时，为了获得零件所要求的强而韧的综合力学性能，所以在渗氮前对钢进行淬火、高温回火调质处理，因此，就必须要求钢有足够的淬透性。锰、铬、钼、镍等都是提高淬透性的有效元素。钒、钛、铌等元素能辅助增大淬透性。

（3）使钢在渗氮过程中不软化。铬、钼、钒是使钢在500～590℃长期保温保持强度的有效元素。往氮化钢中加钼，可以防止或减弱钢发生回火脆性。含铝钢中的镍形成Ni₃Al，在渗氮过程中时效强化心部。2100433B