滲氮處理及工藝，總結(jié)的真到位!
2015/5/17 20:29:45 點(diǎn)擊：
滲氮又稱氮化，指使氮原子滲入鋼鐵工件表層內(nèi)的化學(xué)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(qiáng)度和抗腐蝕性。它是利用氨氣在加熱時(shí)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(shí)向心部擴(kuò)散。氮化通常利用專門設(shè)備或井式滲氮爐來進(jìn)行。氣體滲氮在1923年左右，由德國人Ｆｒｙ首度研究發(fā)展并加以工業(yè)化，目前滲氮從理論到工藝都得到迅速發(fā)展并日趨完善，適用的材料和工件也日益擴(kuò)大。由于經(jīng)滲氮處理的制品具有優(yōu)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(xué)熱處理工藝之一，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金和礦山等行業(yè)的齒輪、凸輪、曲軸、工具、冷作模具、熱作模具等零件和產(chǎn)品的表面處理。
一、氮化常用材料
傳統(tǒng)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(tài)的氮原子接觸時(shí)，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(shí)所產(chǎn)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(qiáng)的氮化物元素，含有0.85～1.5%鋁的滲氮結(jié)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(nèi)空氣工作。排除爐內(nèi)空氣的主要目的是使參與滲氮處理的氣體，只有氨氣和氮?dú)鈨煞N氣體，防止氨氣分解時(shí)與空氣接觸而發(fā)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(tài)的氮接觸而進(jìn)行（初生態(tài)氮的產(chǎn)生，由氨氣與加熱中的零件接觸時(shí)零件本身成為觸媒而促進(jìn)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(shí)，處理溫度保持在520℃左右。
4.冷卻
大部份的工業(yè)用滲氮爐都有熱交換機(jī)，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(guān)閉，使?fàn)t溫降低約50℃，然后將氨的流量增加一倍后開啟熱交換機(jī)，此時(shí)須注意確認(rèn)爐內(nèi)壓力為正壓。等候?qū)霠t中的氨氣安定后，即可減少氨的流量至保持爐內(nèi)正壓為止，當(dāng)爐溫下降至150℃以下時(shí)，方可啟開爐蓋。
三、滲氮工藝路線
鍛造退（正）火粗加工（調(diào)質(zhì)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(qiáng)度的心部組織時(shí)，需先進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，獲得回火索氏體，提高心部機(jī)械性能和氮化層質(zhì)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(dá)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(shí)間近80小時(shí)。這種工藝適用于滲層淺、畸變要求嚴(yán)、硬度要求高的零件，但處理時(shí)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(shí)間進(jìn)行滲氮和擴(kuò)散。整個滲氮時(shí)間可以縮短到近50小時(shí)，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(shí)，氨分解率為35～70%，工件表層可獲得化學(xué)穩(wěn)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(chǎn)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(jìn)行的。把金屬工件作為陰極放入含氮介質(zhì)的負(fù)壓容器中，通電后介質(zhì)中的氮?dú)湓颖浑婋x，在陰陽極之間形成等離子區(qū)，在等離子區(qū)強(qiáng)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(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽訜峁ぜ砻嬷了铚囟取Ｓ捎陔x子的轟擊，工件表面產(chǎn)生原子濺射，因而得到凈化，同時(shí)由于吸附和擴(kuò)散作用，氮遂滲入工件表面。
離子滲氮最重要的特點(diǎn)之一是可以通過控制滲氮?dú)夥盏慕M成、氣壓、電參數(shù)、溫度等因素來控制表面化合物層（俗稱白亮層）的結(jié)構(gòu)和擴(kuò)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(zhuǎn)變溫度以下，使工件表面在主要滲入氮的同時(shí)也滲入碳，碳滲入后形成的微細(xì)碳化物能促進(jìn)氮的擴(kuò)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(jìn)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(shí)間1～3小時(shí)。早期的液體鹽浴用氰鹽，以后又出現(xiàn)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(yīng)產(chǎn)物仍有毒。氣體介質(zhì)主要有：吸熱式或放熱式氣體加氨氣，尿素?zé)岱纸鈿猓巫⒑肌⒌挠袡C(jī)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(chǎn)實(shí)踐中，工件滲氮后其表面硬度有時(shí)達(dá)不到工藝規(guī)定的要求，輕者可以返工，重者則造成報(bào)廢。
造成硬度偏低的原因通常有：
設(shè)備方面：如系統(tǒng)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(yán)重等。
工件預(yù)處理不徹底：如進(jìn)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(shí)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(diào)節(jié)不當(dāng)。
滲氮處理期間溫度不均勻。
爐內(nèi)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(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化處理。
滲氮過程中的升、降溫速度應(yīng)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(yán)格的工件，在工藝范圍內(nèi)，盡可能采用較低的氮化溫度。
4.外觀顏色有差別
不同材質(zhì)的零件經(jīng)滲氮處理后表面顏色是略有區(qū)別的，零件出爐后首先用肉眼檢查外觀質(zhì)量，鋼件經(jīng)滲氮處理后表面通常呈銀灰（藍(lán)黑色）色或暗灰色（藍(lán)黑色），鈦及鈦合金件表面應(yīng)呈金黃色。
5.脈狀氮化物
氮化（特別是離子氮化）易出現(xiàn)脈狀氮化物，即擴(kuò)散層與表面平行走向呈白色波紋狀的氮化物。其形成機(jī)理尚無定論，一般認(rèn)為與合金元素在晶界偏聚及氮原子的擴(kuò)散有關(guān)。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(shù)方面，滲氮溫度越高，保溫時(shí)間越長，越易促進(jìn)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(yán)重得多。
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一、氮化常用材料
傳統(tǒng)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(tài)的氮原子接觸時(shí)，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(shí)所產(chǎn)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(qiáng)的氮化物元素，含有0.85～1.5%鋁的滲氮結(jié)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(nèi)空氣工作。排除爐內(nèi)空氣的主要目的是使參與滲氮處理的氣體，只有氨氣和氮?dú)鈨煞N氣體，防止氨氣分解時(shí)與空氣接觸而發(fā)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(tài)的氮接觸而進(jìn)行（初生態(tài)氮的產(chǎn)生，由氨氣與加熱中的零件接觸時(shí)零件本身成為觸媒而促進(jìn)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(shí)，處理溫度保持在520℃左右。
4.冷卻
大部份的工業(yè)用滲氮爐都有熱交換機(jī)，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(guān)閉，使?fàn)t溫降低約50℃，然后將氨的流量增加一倍后開啟熱交換機(jī)，此時(shí)須注意確認(rèn)爐內(nèi)壓力為正壓。等候?qū)霠t中的氨氣安定后，即可減少氨的流量至保持爐內(nèi)正壓為止，當(dāng)爐溫下降至150℃以下時(shí)，方可啟開爐蓋。
三、滲氮工藝路線
鍛造退（正）火粗加工（調(diào)質(zhì)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(qiáng)度的心部組織時(shí)，需先進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，獲得回火索氏體，提高心部機(jī)械性能和氮化層質(zhì)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(dá)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(shí)間近80小時(shí)。這種工藝適用于滲層淺、畸變要求嚴(yán)、硬度要求高的零件，但處理時(shí)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(shí)間進(jìn)行滲氮和擴(kuò)散。整個滲氮時(shí)間可以縮短到近50小時(shí)，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(shí)，氨分解率為35～70%，工件表層可獲得化學(xué)穩(wěn)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(chǎn)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(jìn)行的。把金屬工件作為陰極放入含氮介質(zhì)的負(fù)壓容器中，通電后介質(zhì)中的氮?dú)湓颖浑婋x，在陰陽極之間形成等離子區(qū)，在等離子區(qū)強(qiáng)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(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽訜峁ぜ砻嬷了铚囟取Ｓ捎陔x子的轟擊，工件表面產(chǎn)生原子濺射，因而得到凈化，同時(shí)由于吸附和擴(kuò)散作用，氮遂滲入工件表面。
離子滲氮最重要的特點(diǎn)之一是可以通過控制滲氮?dú)夥盏慕M成、氣壓、電參數(shù)、溫度等因素來控制表面化合物層（俗稱白亮層）的結(jié)構(gòu)和擴(kuò)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(zhuǎn)變溫度以下，使工件表面在主要滲入氮的同時(shí)也滲入碳，碳滲入后形成的微細(xì)碳化物能促進(jìn)氮的擴(kuò)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(jìn)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(shí)間1～3小時(shí)。早期的液體鹽浴用氰鹽，以后又出現(xiàn)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(yīng)產(chǎn)物仍有毒。氣體介質(zhì)主要有：吸熱式或放熱式氣體加氨氣，尿素?zé)岱纸鈿猓巫⒑肌⒌挠袡C(jī)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(chǎn)實(shí)踐中，工件滲氮后其表面硬度有時(shí)達(dá)不到工藝規(guī)定的要求，輕者可以返工，重者則造成報(bào)廢。
造成硬度偏低的原因通常有：
設(shè)備方面：如系統(tǒng)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(yán)重等。
工件預(yù)處理不徹底：如進(jìn)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(shí)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(diào)節(jié)不當(dāng)。
滲氮處理期間溫度不均勻。
爐內(nèi)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(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化處理。
滲氮過程中的升、降溫速度應(yīng)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(yán)格的工件，在工藝范圍內(nèi)，盡可能采用較低的氮化溫度。
4.外觀顏色有差別
不同材質(zhì)的零件經(jīng)滲氮處理后表面顏色是略有區(qū)別的，零件出爐后首先用肉眼檢查外觀質(zhì)量，鋼件經(jīng)滲氮處理后表面通常呈銀灰（藍(lán)黑色）色或暗灰色（藍(lán)黑色），鈦及鈦合金件表面應(yīng)呈金黃色。
5.脈狀氮化物
氮化（特別是離子氮化）易出現(xiàn)脈狀氮化物，即擴(kuò)散層與表面平行走向呈白色波紋狀的氮化物。其形成機(jī)理尚無定論，一般認(rèn)為與合金元素在晶界偏聚及氮原子的擴(kuò)散有關(guān)。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(shù)方面，滲氮溫度越高，保溫時(shí)間越長，越易促進(jìn)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(yán)重得多。
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