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氮化工艺的制定

发布时间:2013-12-11 09:27
(1)渗氮前的热处理 工件在渗氮前最适宜的预先热处理是调质处理,得到的回火索氏体组织是渗氮层的最佳基体组织,必须注意调质后不允许有游离铁素体存在,否则将引起渗氮层脆性剥落。 调质回火温度越高,随后的渗氮层深度越深,但心部及渗氮层的硬度较低;回火温度越低,则渗氮层深度越浅,心部及渗氮层的硬度越高。因此,必须选用适当的调质回火温度,使心部及表面渗氮层都能达到规定的要求。 对于形状复杂的精密工件,在渗氮之前应进行1~2次去应力处理(也称稳定回火)以减小渗氮过程中的变形。处理温度高于渗氮温度,但低于调质回火温度,以免降低硬度。一般情况保温8~10h,随后冷至300℃后出炉空冷。对形状简单精密度要求不太高的工件,可不进行去应力处理。 (2)渗氮前的准备 ①工件装炉前要用汽油或酒精进行去油、去污处理,工件表面不允许有锈蚀及脏物。
  ②防渗处理对工件上不需渗氮部位进行防渗处理。
  ③预留加工余量,工件在预先热处理前应有足够的加工余量,以便在渗氮前机加工过程中能将脱碳层全部去除。
  ④安放试样,在渗氮炉中放置预先加工好的、与工件同材料并经过同样预先热处理的试样,以便于检查渗氮层深度、表面硬度及金相组织等。
(3)渗氮介质及设备 渗氮介质用氨气,含水分量小于0.2%,氨气的干燥罐,每开炉2~3次清理一次,烘干或更换干燥剂。渗氮通常在专门的渗氮炉中进行,或井式气体渗碳炉中进行。 (4)渗氮工艺参数的选择 ①渗氮温度:一般说来,强化渗氮的温度选在500~530℃。
  渗氮温度高,氮化物弥散度越小,渗氮层硬度低。温度超过595℃,则氮化物强烈聚集长大,表面硬度显著下降。相同的渗氮时间内,渗氮温度越高,工件变形越大,心部的强度也随之降低。渗氮温度过低,渗氮速度慢。
②渗氮时间:渗氮温度一定时,渗氮层的深度决定于渗氮保温时间,不同的渗氮温度和时间对渗氮层深度和硬度的影响是不同的。
   渗氮层深度总是随时间的增加而增加,开始增加的速度较快,随后就越来越慢了。由于钢中的合金元素对氮在钢中的扩散速度有影响,所以不同的钢种需要的渗氮时间是不同的,需经具体实验后方可确定。
在510℃氮化的38CrMoAlA钢,渗层深度≤0.4mm时,氮化速度是0. 01~0. 015mm/h;当深度在0.4~0.7mm肘,氮化速度是0. 005mm/h。 ③氨分解率:在某一温度下,分解的氮、氢混合气体占炉气中气体体积的百分比,即表示了炉内氮的分解程度,影响氨分解率大小的因素主要是渗氮温度、氨气的流量、进气与排气的压力、工件的表面状态及有无催化剂等。 渗氮温度升高,氨分解率增大。渗氮时氨的分解率要控制在一定的范围内。分解率过小时(5%~10%),钢吸收氮的能力下降;分解率过大(>80%)时,由于炉中氢气浓度过高,吸附在工件表面反而妨碍氮的渗入,钢的吸氮能力也下降。在某一渗氮温度下,氨的分解率有一合适范围。 氨的分解率是通过调整氨的流量来控制,氨流量越大,炉内停留时间越短,则分解率越低。反之,分解率越高。 升温阶段通入氨气量,将流量调至15~100L/s(视具体情况酌定),使进气压力达到20~40mm油柱。然后将炉温升至200~250℃,保温1~3h,用氨气将氮化罐和管道中的空气排出。当测得氨分解率为零,表明氮化罐内空气已被排尽时,才允许继续升温。这时便可把氨气流量调整到维持炉内有一定的正压,保证零件不被氧化即可。 ④冷却:当保温结束后,对一般零件随炉冷至450℃以下,便可加快冷却速度。但对变形要求严格的零件需待随炉冷至200℃以下出炉。在降温阶段,仍需继续通氨,来维护罐内有一定正压,以防空气迸罐使零件表面产生氧化。 ⑤渗氮件的质量检验:质量检验渗氮工件项目主要有外观、渗氮层深度、硬度、脆性、工件变形及金相组织等。 外观表面应呈均匀的银灰色而无光泽,不应出现氧化色和局部亮点。渗氮层硬度常用表面洛氏硬度计(HRN)或维氏硬度计(HV)检验渗氮层硬度。渗氮后的心部硬度可用洛氏硬度计检查。 (5)常用渗氮方法 根据工件所用钢材和技术条件不同,可采用不同的渗氮方法,常用的有等温渗氮法、二段渗氮法和三段渗氮法。以38CrMoAl钢氮化深度0.4~0.6mm,表面硬度≥900HV为例。 ①等温渗氮:等温渗氮又称一段渗氮法。是在一个恒定的温度下(480~530℃)进行长时间渗氮的过程。第一阶段保温15~20h,控制氨分解率在低限(18%-25%),以便获得高硬度表面层。第二阶段是表层氮原子向内扩散,氨分解率可提高为30%~40%,保温60h左右。为降低渗氮层的脆性和硬度,可在渗氮结束前2~3h进行退氮处理,氨分解率控制在70%以上,并适当提高退氮温度至560~570℃。 等温渗氮温度低,工件变形小,但渗氮周期太长,表面易产生脆性层。适用于渗氮深度浅,尺寸精密、硬度要求高的工件。 ②二段渗氮法:第一阶段除保温时间外,其他参数与等温渗氮工艺相同。第二阶段把渗氮温度提高到550~560℃,以加速氮原子的扩散,缩短渗氮周期,氨分解率提高到40%~60%,结束前也应提高氨分解率和温度进行退氮处理。 二段渗氮法表面硬度略低,变形略有增大,但渗氮速度比等温渗氮快,适用于要求较深渗氮层、批量较大工件。 ③三段渗氮法:这是在二段渗氮法基础上发展起来的。其特点是适当提高第一二阶段的温度及氨分解率,加快渗氮过程,同时增加较低温度的第三阶段,以保证表面含氮量而提高表面硬度。三段渗氮能进一步提高渗氮速度,但变形量较大,表面脆性也较大。只适宜较粗、短的结构零件。 本文参考《热处理工艺问答》一书。 相关链接 第二十届广州国际热处理、工业炉展览会

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