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        滲氮工藝的應用概述

        時間:2021-06-02? 來源:青島豐東熱處理 ?作者:青島豐東熱處理 點擊:
        和傳統的淬火等金屬表面熱處理工藝相比,表面滲氮處理具有無與倫比的優勢,本文就目前應用日益廣泛的滲氮技術進行了探索研究。
         
        滲氮又稱氮化,指使氮原子滲入鋼鐵工件表層內的化學熱處理工藝,其目的是提高零件表面硬度和耐磨性,以及提高疲勞強度和抗腐蝕性。它是利用氨氣在加熱時分解出活性氮原子,被零件吸收后在其表面形成氮化層,同時向心部擴散。氮化通常利用專門設備或井式滲氮爐來進行。由于經滲氮處理的制品具有優異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性、耐高溫性、抗咬合性、抗大氣和過熱蒸汽腐蝕能力、抗回火軟化能力,并降低缺口敏感性,與滲碳工藝相比,滲氮溫度比較低,因而工件畸變小,已成為重要的化學熱處理工藝之一,廣泛應用于機械、冶金和礦山等行業的齒輪、凸輪、曲軸、工具、冷作模具、熱作模具等零件和產品的表面處理。
        一、氮化常用材料
        傳統的合金鋼材料中的鋁、鉻、釩及鉬元素在滲氮過程中,與初生態的氮原子接觸時,就能生成安定的氮化物,尤其是鉬元素,不僅是生成氮化物元素,還能降低在滲氮時所產生的脆性。其他合金鋼中的元素,如鎳、銅、硅、錳等,對滲氮特性并無多大的幫助。一般而言,如果鋼料中含有一種或多種的氮化物生成元素,氮化后的效果比較良好。其中鋁是最強的氮化物元素,含有0.85~1.5%鋁的滲氮結果最佳,如果有足夠的鉻含量,亦可得到很好的效果,沒有含合金的碳鋼,因其生成的滲氮層很脆,容易剝落,不適合作為滲氮鋼。
        二、滲氮過程控制
        1.滲氮前的零件表面清洗
        通常使用氣體去油法去油后立刻滲氮
        2.排除滲氮爐中的空氣
        將被處理零件置于滲氮爐中,并將爐蓋密封后即可加熱,但加熱至150℃以前須作排除爐內空氣工作。排除爐內空氣的主要目的是使參與滲氮處理的氣體只有氨氣和氮氣兩種氣體,防止氨氣分解時與空氣接觸而發生爆炸性氣體,及防止被處理零件及支架的表面氧化。
        3.氨的分解率
        滲氮是其它合金元素與初生態的氮接觸而進行(初生態氮的產生,由氨氣與加熱中的零件接觸時零件本身成為觸媒而促進氨的分解),雖然在各種分解率的氨氣下,皆可滲氮,但一般都采用15~30%的分解率,并按滲氮所需厚度保持4~10小時,處理溫度保持在520℃左右。
        4.冷卻
        大部份的工業用滲氮爐都有熱交換機,在滲氮工作完成后冷卻加熱爐及被處理零件。即滲氮完成后,將加熱電源關閉,使爐溫降低約50℃,然后將氨的流量增加一倍后開啟熱交換機,此時須注意確認爐內壓力為正壓。等候導入爐中的氨氣安定后,即可減少氨的流量至保持爐內正壓為止,當爐溫下降至150℃以下時,方可啟開爐蓋。
        三、滲氮工藝路線
        鍛造-退(正)火-粗加工-調質處理-精加工-磨或研磨-滲氮
        備注:由于滲氮層較薄,在要求有較高強度的心部組織時,需先進行調質熱處理,獲得回火索氏體,提高心部機械性能和氮化層質量。
        四、常用滲氮方式
        1.氣體滲氮
        氣體滲氮一般以提高金屬的耐磨性為主要目的,因此需要獲得高的表面硬度。滲氮后工件表面硬度可達HV850~1200。氣體參氮可采用一般滲氮法(即等溫滲氮)或多段(二段、三段)滲氮法。前者是在整個滲氮過程中滲氮溫度和氨氣分解率保持不變,溫度一般在480~520℃之間,氨氣分解率為15~30%,保溫時間近80小時。這種工藝適用于滲層淺、畸變要求嚴、硬度要求高的零件,但處理時間過長。多段滲氮是在整個滲氮過程中按不同階段分別采用不同溫度、不同氨分解率、不同保溫時間進行滲氮和擴散。整個滲氮時間可以縮短到近50小時,能獲得較深的滲層,但這樣滲氮溫度較高,畸變較大。
        還有以抗蝕為目的的氣體滲氮,滲氮溫度在550~700"C之間,保溫0.5~3小時,氨分解率為35~70%,工件表層可獲得化學穩定性高的化合物層,防止工件受濕空氣、過熱蒸汽、氣體燃燒產物等的腐蝕。
        2.離子滲氮
        又稱輝光滲氮,是利用輝光放電原理進行的。把金屬工件作為陰極放入含氮介質的負壓容器中,通電后介質中的氮氫原子被電離,在陰陽極之間形成等離子區,在等離子區強電場作用下,氮和氫的正離子以高速向工件表面轟擊,離子的高動能轉變為熱能,加熱工件表面至所需溫度。由于離子的轟擊,工件表面產生原子濺射,因而得到凈化,同時由于吸附和擴散作用,氮遂滲入工件表面。
        離子滲氮最重要的特點之一是可以通過控制滲氮氣氛的組成、氣壓、電參數、溫度等因素來控制表面化合物層(俗稱白亮層)的結構和擴散層組織,從而滿足零件的服役條件和對性能的要求。
        3.氮碳共滲
        又稱軟氮化或低溫碳氮共滲,即在鐵氮共析轉變溫度以下,使工件表面在主要滲入氮的同時也滲入碳,碳滲入后形成的微細碳化物能促進氮的擴散,加快高氮化合物的形成,這些高氮化合物反過來又能提高碳的溶解度,碳氮原子相互促進便加快了滲入速度。此外,碳在氮化物中還能降低脆性。
        常用的氮碳共滲方法有液體法和氣體法,處理溫度530~570"C,保溫時間1~3小時。早期的液體鹽浴用氰鹽,以后又出現多種鹽浴配方。常用的有兩種:中性鹽通氨氣和以尿素加碳酸鹽為主的鹽,但這些反應產物仍有毒。氣體介質主要有:吸熱式或放熱式氣體加氨氣,尿素熱分解氣,滴注含碳、氮的有機溶劑,如甲酰胺、三乙醇胺等。

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