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。
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