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渗氮处理

      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。

一、氮化常用材料

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。

二、渗氮过程控制

1.渗氮前的零件表面清洗

通常使用气体去油法去油后立刻渗氮

2.排除渗氮炉中的空气

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。

3.氨的分解率

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。

4.冷却

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。

三、渗氮工艺路线

锻造→退(正)火→粗加工→(调质处理) →精加工→磨或研磨→渗氮

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。

四、常用渗氮方式

1.气体渗氮

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。

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。

2.离子渗氮

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。

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。

3.氮碳共渗

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。

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。

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