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发表于 2007-10-25 18:08:35
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来自： 中国陕西西安
渗氮工艺的应用研究
6 \- o! q5 I' w" A2007-3-5 & y2 e- z- Y: m! b. M7 U
渗氮工艺的应用研究
! H: ?# I9 a P: P+ [4 B; {关键词：渗氮 工件畸变 表面处理- v8 j6 r I- K6 w, N4 W2 k
内容提要：和传统的淬火等金属表面热处理工艺相比，表面渗氮处理具有无与伦比的优势，本文就目前应用日益广泛的渗氮技术进行了探索研究，以期和读者达到共同学习、提高的目的。
0 J) H- m$ A5 n* F渗氮又称氮化，指使氮原子渗入钢铁工件表层内的化学热处理工艺，其目的是提高零件表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被零件吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散。氮化通常利用专门设备或井式渗氮炉来进行。气体渗氮在１９２３年左右，由德国人Ｆｒｙ首度研究发展并加以工业化，目前渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善，适用的材料和工件也日益扩大。由于经渗氮处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、耐高温性、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性，与渗碳工艺相比，渗氮温度比较低，因而工件畸变小，已成为重要的化学热处理工艺之一，广泛应用于机械、冶金和矿山等行业的齿轮、凸轮、曲轴、工具、冷作模具、热作模具等零件和产品的表面处理。9 C, h' G5 F* h4 ^
一、 氮化常用材料
0 B. @. }. z+ J, n1 F, V$ K传统的合金钢材料中的铝、铬、钒及钼元素在渗氮过程中，与初生态的氮原子接触时，就能生成安定的氮化物，尤其是钼元素，不仅是生成氮化物元素，还能降低在渗氮时所产生的脆性。其他合金钢中的元素，如镍、铜、硅、锰等，对渗氮特性并无多大的帮助。一般而言，如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素，氮化后的效果比较良好。其中铝是最强的氮化物元素，含有０．８５～１．５％铝的渗氮结果最佳，如果有足够的铬含量，亦可得到很好的效果，没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适合作为渗氮钢。
+ f# ~. Y6 a' M) J二、渗氮过程控制9 G/ q$ u0 Z: a
１．渗氮前的零件表面清洗/ S; \5 c* h6 c9 t$ A% ^& W
通常使用气体去油法去油后立刻渗氮) r- E" c q' z9 G) W2 Z: B
２．排除渗氮炉中的空气
2 F# E2 h( ?1 }将被处理零件置于渗氮炉中，并将炉盖密封后即可加热，但加热至１５０℃以前须作排除炉内空气工作。排除炉内空气的主要目的是使参与渗氮处理的气体只有氨气和氮气两种气体，防止氨气分解时与空气接触而发生爆炸性气体，及防止被处理零件及支架的表面氧化。5 A) K/ U( H& q# L$ g
３．氨的分解率6 X/ K3 e& A4 {( l
渗氮是其它合金元素与初生态的氮接触而进行（初生态氮的产生，由氨气与加热中的零件接触时零件本身成为触媒而促进氨的分解），虽然在各种分解率的氨气下，皆可渗氮，但一般都采用１５～３０％的分解率，并按渗氮所需厚度保持４～１０小时，处理温度保持在５２０℃左右。
( O: Z8 Z1 K) {. L& `, Y４．冷却: C; _$ A+ d# p6 z. z
大部份的工业用渗氮炉都有热交换机，在渗氮工作完成后冷却加热炉及被处理零件。即渗氮完成后，将加热电源关闭，使炉温降低约５０℃，然后将氨的流量增加一倍后开启热交换机，此时须注意确认炉内压力为正压。等候导入炉中的氨气安定后，即可减少氨的流量至保持炉内正压为止，当炉温下降至１５０℃以下时，方可启开炉盖。
+ J2 U7 d, t( b( B: l$ T O* [三、渗氮工艺路线
% Z: I. D* M$ P+ C锻造退（正）火粗加工（调质处理）精加工磨或研磨渗氮" f h3 b- Q" g4 R) _* G
备注：由于渗氮层较薄，在要求有较高强度的心部组织时，需先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量
& ]0 h/ g0 e% O& X; R# g( [四、常用渗氮方式: Q6 c- D, _% m
１．气体渗氮
/ b- P0 T+ z2 _气体渗氮一般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的表面硬度。渗氮后工件表面硬度可达ＨＶ８５０～１２００。气体参氮可采用一般渗氮法（即等温渗氮）或多段（二段、三段）渗氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变，温度一般在４８０～５２０℃之间，氨气分解率为１５～３０％，保温时间近８０小时。这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同温度、不同氨分解率、不同保温时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近５０小时，能获得较深的渗层，但这样渗氮温度较高，畸变较大。
" V* { I U- b- ?2 W/ V还有以抗蚀为目的的气体渗氮，渗氮温度在５５０～７００＂Ｃ之间，保温０．５～３小时，氨分解率为３５～７０％，工件表层可获得化学稳定性高的化合物层，防止工件受湿空气、过热蒸汽、气体燃烧产物等的腐蚀。
- ~+ d# j/ ]( i$ \２．离子渗氮
; {) J2 ?6 r# m8 c' I" I9 ~又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。把金属工件作为阴极放入含氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮氢原子被电离，在阴阳极之间形成等离子区，在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击，离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度。由于离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件表面。
5 ^4 X2 ^5 j) ?离子渗氮最重要的特点之一是可以通过控制渗氮气氛的组成、气压、电参数、温度等因素来控制表面化合物层（俗称白亮层）的结构和扩散层组织，从而满足零件的服役条件和对性能的要求。7 {5 f6 \% u m. o& O% J6 u1 r# X
３．氮碳共渗2 M! J, L; a+ H+ I
又称软氮化或低温碳氮共渗，即在铁—氮共析转变温度以下，使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳，碳渗入后形成的微细碳化物能促进氮的扩散，加快高氮化合物的形成，这些高氮化合物反过来又能提高碳的溶解度，碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。此外，碳在氮化物中还能降低脆性。; B2 m0 ^+ o5 O( A$ d) x- S
常用的氮碳共渗方法有液体法和气体法，处理温度５３０～５７０＂Ｃ，保温时间１～３小时。早期的液体盐浴用氰盐，以后又出现多种盐浴配方。常用的有两种：中性盐通氨气和以尿素加碳酸盐为主的盐，但这些反应产物仍有毒。气体介质主要有：吸热式或放热式气体加氨气，尿素热分解气，滴注含碳、氮的有机溶剂，如甲酰胺、三乙醇胺等。
0 ?1 i6 o" @8 l+ g; \! \' g1 o( O各种渗氮方法的工艺性比较详见下表
( |9 P2 s) o2 d' D' O, J% e1 R: O+ R$ s五、常见渗氮缺陷及其原因2 a8 f9 h9 M; Y' e8 N! B
１．硬度偏低! p$ d$ T- ]) @: _6 g4 T
生产实践中，工件渗氮后其表面硬度有时达不到工艺规定的要求，轻者可以返工，重者则造成报废。造成硬度偏低的原因通常有：' |" u0 |% q% _. Y; o2 I/ M5 n
设备方面：如系统漏气造成氧化。7 T( h6 y& }& _3 P, O
材料方面：如材料选择不合理。' i y4 S9 a6 Q5 P( M
前期热处理：如基体硬度太低，表面脱碳严重等。
' o! H/ K1 v5 e4 a, z+ s! X1 f1 r工件预处理不彻底：如进炉前的清洁方式及清洁度。* l, S x" D( @& v; c
工艺方面：如渗氮温度过高或过低，时间短或氮浓度不足等等。1 X6 E- T: Q: m) j7 C
２．硬度和渗层不均匀
% Y- w( M. @9 ~: j B( I% ^$ t5 C主要原因有：
- T" x. D/ k% o: @装炉方式不合理。
+ a4 a5 J2 c7 l; K% ~气压调节不当。
. n9 z; }. s2 R& y3 C- g* A. v4 y渗氮处理期间温度不均匀。
9 p4 j' b2 m# z, a炉内气流不合理。
- U/ g$ I! U" @" v/ \３．渗氮后零件变形过大$ r; @9 R- x1 N+ P& e2 E6 K4 \6 i
变形是难以避免的，对易变形件，采取以下措施，有利于减小变形：/ l' H" p2 D g6 \( |7 _
渗氮前应进行稳定化处理。2 N5 [6 ?1 e! s6 \7 b; t
渗氮过程中的升、降温速度应缓慢。/ k' Y1 J- Z7 Y$ B$ x% ^
保温阶段尽量使工件各处的温度均匀一致，对变形要求严格的工件，在工艺范围内，尽可能采用较低的氮化温度。! i. e% Z0 o" _8 A( Y$ ?- A9 \: p
４．外观颜色有差别
; f& p) S) {/ n$ s不同材质的零件经渗氮处理后表面颜色是略有区别的，零件出炉后首先用肉眼检查外观质量，钢件经渗氮处理后表面通常呈银灰（蓝黑色）色或暗灰色（蓝黑色），钛及钛合金件表面应呈金黄色。- `) t3 ~5 C: w8 `. l
５．脉状氮化物4 K3 u- n$ }$ o, C3 C: c
氮化（特别是离子氮化）易出现脉状氮化物，即扩散层与表面平行走向呈白色波纹状的氮化物。其形成机理尚无定论，一般认为与合金元素在晶界偏聚及氮原子的扩散有关。因此，控制合金元素偏聚的措施均有利于减轻脉状氮化物的形成。工艺参数方面，渗氮温度越高，保温时间越长，越易促进脉状组织的形成，如工件的棱角处，因渗氮温度相对较高，脉状组织比其它部位严重得多。
6 h' q7 t5 z1 w# T5 ~6 ^参考文献：' U- T, [/ z5 Q0 h/ `
１．刘永铨：钢的热处理 冶金工业出版社１９８７
" C4 h' p3 D# ~+ G3 |２．胡海天，陈强等：微波等离子体渗氮装置 金属热处理 １９９５" G. _3 K' l0 Z# _/ \5 B
３．周孝重，陈大凯等：离子体热处理工业技术 机械工业出版社１９９０3 P, v% K# U; n& p6 ?
４．钱苗根等：现代表面技术 机械工业出版社１９９９
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