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                        滲氮處理及工藝

                        主頁    滲氮處理及工藝

                        滲氮處理及工藝,總結的真到位!

                          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。氣體滲氮在1923年左右,由德國人Fry首度研究發展并加以工業化,目前滲氮從理論到工藝都得到迅速發展并日趨完善,適用的材料和工件也日益擴大。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℃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℃,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。


                        五、常見滲氮缺陷及其原因

                          1.硬度偏低

                          生產實踐中,工件滲氮后其表面硬度有時達不到工藝規定的要求,輕者可以返工,重者則造成報廢。


                          造成硬度偏低的原因通常有:

                          設備方面:如系統漏氣造成氧化。

                          材料方面:如材料選擇不合理。

                          前期熱處理:如基體硬度太低,表面脫碳嚴重等。

                          工件預處理不徹底:如進爐前的清潔方式及清潔度。

                          工藝方面:如滲氮溫度過高或過低,時間短或氮濃度不足等等。


                          2.硬度和滲層不均勻

                          主要原因有:

                          裝爐方式不合理。

                          氣壓調節不當。

                          滲氮處理期間溫度不均勻。

                          爐內氣流不合理。


                          3.滲氮后零件變形過大

                          變形是難以避免的,對易變形件,采取以下措施,有利于減小變形:

                          滲氮前應進行穩定化處理。

                          滲氮過程中的升、降溫速度應緩慢。

                          保溫階段盡量使工件各處的溫度均勻一致,對變形要求嚴格的工件,在工藝范圍內,盡可能采用較低的氮化溫度。


                          4.外觀顏色有差別

                          不同材質的零件經滲氮處理后表面顏色是略有區別的,零件出爐后首先用肉眼檢查外觀質量,鋼件經滲氮處理后表面通常呈銀灰(藍黑色)色或暗灰色(藍黑色),鈦及鈦合金件表面應呈金黃色。


                          5.脈狀氮化物

                          氮化(特別是離子氮化)易出現脈狀氮化物,即擴散層與表面平行走向呈白色波紋狀的氮化物。其形成機理尚無定論,一般認為與合金元素在晶界偏聚及氮原子的擴散有關。因此,控制合金元素偏聚的措施均有利于減輕脈狀氮化物的形成。工藝參數方面,滲氮溫度越高,保溫時間越長,越易促進脈狀組織的形成,如工件的棱角處,因滲氮溫度相對較高,脈狀組織比其它部位嚴重得多。


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                        2018年5月10日 10:21
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