气体渗氮工艺Word文档下载推荐.docx

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在650℃时，氮的最大溶解度为wN＝2.8%。

缓冷时，在590℃发生γ相共析转变，生成共析组织（α+γ′）;

如果快冷，则形成含氮的马氏体。

（3）γ′相

以Fe4N为基体的固溶体，氮质量分数wN的变化范围为5.7%～6.1%。

当氮质量分数wN为5.9%时，成分符合Fe4N，晶体结构为氮原子占据面心立方晶格的间隙位置上。

γ′相在680℃以下稳定存在，680℃以上转变为ε相。

（4）ε相

以Fe3N为基体的固溶体，wN＝8.25%～11.0%，其晶体结构为在铁原子组成的密集六方晶格的间隙位置上分布着氮原子。

随着温度的降低，ε相中不断析出γ′相。

（5）ξ相

为斜方晶格的间隙化合物，氮原子有序地分布于它的间隙位置。

wN＝11.0%～11.35%，分子式为Fe2N。

温度高于490℃时，ξ相转变为ε相。

渗氮通常在共析温度（590℃）以下进行。

纯铁渗氮后，缓冷至室温，渗氮层组织由表及里为ε→ε+γ′→γ′→γ′+α→α。

如果表面氮质量分数wN达到11.0%左右，则ε相可能转变为ξ相。

因ε、γ′和ξ相抗蚀性很强，在金相显微镜下为一个白亮层，难以清晰区分。

当渗氮温度超过590℃时，纯铁在室温的渗氮层组织由表及里为ε→ε+γ′→γ′→（α+γ′）共析→α+γ′。

渗氮后快速冷却，能够阻止共析转变与第二相析出。

α相和ε相中不析出γ′相和ξ相，γ′相也将发生非扩散性转变，成为含氮马氏体。

此时室温组织为ε→γ′→M（N）→α。

碳钢与纯铁渗氮层组织大致相同。

但其固溶体和化合物中均含有碳，ε相为含碳的氮化物相Fe2～3（C，N），α相是氮与碳在α-Fe中的固溶体。

由于铁的晶格中有碳原子存在，阻碍了氮原子扩散，特别是当钢中存在片状珠光体和渗碳体时，减少了易溶解氮的铁素体量，增大了氮原子的扩散路程。

所以，当渗氮工艺参数相同时，随着钢的碳质量分数增加，渗氮层深度相应减小。

合金钢中渗氮层的形成基本上与碳钢相同，不同点是此时的氮不仅与铁发生作用，而且与合金元素也发生作用。

如果在590℃以下进行渗氮，氮首先溶入α-Fe中，形成α相，当氮浓度达到α-Fe的饱和浓度后，便与氮化物形成元素发生作用。

按照氮与合金元素亲和力的强弱，依次形成氮化物，最后形成铁的氮化物。

继续渗氮，α相转变为γ′相。

再继续渗氮，γ′相转变为ε相。

钢中大部分合金元素都能形成氮化物，如Ti、Al、V、Nb、W、Mo、Cr等。

由于氮化物形成元素阻碍了氮原子扩散，就减少了渗氮层深度。

而Mn、Si、Ni等非氮化物形成元素，也会阻止钢对氮的吸收，降低氮浓度，减少渗氮层深度。

合金元素对渗氮层的强化机理有两种解释：

一是认为这些合金氮化物在渗氮层中呈高度弥散均匀地分布，对渗氮层起着弥散强化的作用。

有人测定出38CrMoAlA钢中的氮化物尺寸为20～50nm，主要分布在嵌镶块的边界上，对滑移有阻碍作用，从而产生显著的强化效果。

二是认为Al、Cr、Mo等合金元素显著提高了渗氮层硬度，这是因为随着氮原子向里扩散，在渗氮层依次发生如下过程：

①氮和合金元素的原子偏聚，形成所谓G—P区。

②有α″—Fe16N型过渡氮化物的析出，这些与母相共格的偏聚区和过渡氮化物的析出，使母相晶格产生很大的弹性畸变，由于与母相共格的偏聚区和过渡氮化物周围的弹性畸变应力场的作用，使位错运动受阻，从而使硬度急剧提高。

2　渗氮用钢及渗氮前的热处理

通过渗氮提高耐磨与抗疲劳性能的零件，一般采用为wC＝0.15%～0.45%的合金结构钢，如铬铝、铬钼、铬钼铝、铬镍钼、铬钼钒、铬镍钨等合金钢。

以抗腐蚀为主要目的的零件可使用低碳钢、中碳钢，还有极少数用高碳钢和低合金钢。

在腐蚀性较强介质中工作的零件可采用不锈钢。

冷、热模具钢、高速刃具钢也采用渗氮工艺。

常用渗氮钢种见表13-2-1。

表13-2-1　常用渗氮钢种

续　表

渗氮处理是零件制造过程中的最后一道工序，零件渗氮后只需进行精磨或研磨加工。

为了保证心部有良好的综合力学性能，消除加工应力，减小渗氮变形以及为渗氮作好组织准备，渗氮前零件一般都需进行预备热处理。

结构钢渗氮前常用的预备热处理是调质处理，以获得回火索氏体组织。

渗氮件调质处理工艺对渗氮质量有很大的影响。

若调质处理的温度太低或保温时间不够，调质后有游离的铁素体存在。

由于氮在铁素体中的扩散速度较大，该处在渗氮后就会有较高的氮浓度，易形成针状氮化物，使渗氮层脆性增大，容易剥落。

因此调质处理后，表面层不允许出现游离铁素体。

相反，若淬火温度过高，淬火后晶粒变粗，氮化物优先沿晶界伸展，渗氮后出现波纹状或网状组织，也会使渗氮层脆性增大。

回火温度的高低可决定基体中碳化物的弥散度。

回火温度太高，基体中碳化物弥散度减小，渗氮件心部强度、硬度不足，不能起支承硬而脆的渗氮层的作用。

回火温度过低，心部强度、硬度过高，零件预备热处理后切削加工困难，并且还会降低渗氮速度。

所以，适当选择回火温度，既能使渗氮层和心部有较好的性能，又能获得一定的渗速。

对于形状复杂，尺寸稳定性及变形量要求很严的零件，在机加工、粗磨后要酌情进行稳定化处理，以便消除机加工所产生的内应力，保证渗氮处理变形量最小，组织稳定。

稳定化处理温度应低于调质回火温度，保温时间一般为4～6h。

38CrMoAlA钢是国内外普遍采用的渗氮钢，该种钢的特点是渗氮后可以得到很高的硬度，具有良好的淬透性，同时由于Mo的加入，抑制了第二类回火脆性。

因此，要求表面硬度高、耐磨性好，又要求心部强度高的渗氮零件，普遍选用38CrMoAlA钢。

但是这种钢具有下列缺点：

在冶炼上易出现柱状断口，易玷污非金属夹杂物;

在轧钢中易形成裂纹和发纹，有过热敏感性;

加热时脱碳严重，脱碳层将导致渗氮层脆性增加和硬度降低。

所以，零件应留有较大的加工余量，以保证渗氮前切削掉脱碳层。

常用的几种渗氮钢的调质处理工艺及调质处理后的力学性能见表13-2-2。

表13-2-2

3　气体渗氮设备

气体渗氮设备如图13-3-1所示，它一般由渗氮炉、供氨系统、氨分解测定计和测温系统组成。

渗氮炉有井式电阻炉、钟罩式炉及多用箱式炉等多种形式，均应具有良好的密封性。

炉中的渗氮罐一般用1Cr18Ni9Ti不锈钢制造，钢中的镍及镍的某些化合物对氨的分解具有很强的催化作用，而且随着渗氮的炉次增加，催化作用增强，使氨分解率不断增加，必须加大氨的通入量才能稳定渗氮质量。

因此，在使用若干炉次后，应定期对渗氮罐进行退氮处理（退氮工艺为800～860℃，空载保温2～4h）。

目前，已有低碳钢搪瓷渗氮罐应用于实际生产，可保证运行400h后氮的分解率基本不变。

图13-3-1　气体渗氮设备

1—氨瓶;

2—干燥箱;

3—氨压力表;

4—流量计;

5—进气管;

6—热电偶;

7—渗氮罐;

8—氨分解测定计;

9—U形压力计;

10—泡泡瓶

氨气的流量和压力可通过针形阀进行调节。

罐内压力用U形压力计测量，一般控制油柱在30～50mm。

泡泡瓶内盛水，以观察供氨系统的流通状况。

在渗氮工艺控制技术中，渗氮气氛的“氮势”可定义为，可见氨分解率越低（通氮越多），氮势越高。

生产中通常是通过调节氨分解率控制渗氮过程。

氨分解测定计（见图13-3-2）是利用氨溶于水而其分解产物不溶于水这一特性进行测量的。

使用时首先关闭进水阀并将炉罐中的废气引入标有刻度的玻璃容器中，然后依次关闭排气、排水阀和进气阀，打开进水阀，向充满废气的玻璃容器注水。

由于氨溶于水，水占有的体积即可代表未分解氨的容积，剩余容积为分解产物占据，从刻度可直接读出氨分解率。

近年来，以电信号来反映氨分解率的测量仪器已投入生产应用，使得渗氮过程微机控制成为可能。

这种氨分解率测定仪器可分为两大类，一类是利用氢气、氮气及氨气的导热性差异测定氨分解率;

另一类是根据多原子气体对辐射的选择吸收作用，用红外线测量炉气成分，从而确定氨分解率。

图13-3-2氨分解测定计

1—盛水器;

2—进水阀;

3—进气阀;

4—排水、排气阀

4　气体渗氮工艺

气体渗氮工艺参数主要有渗氮温度、保温时间、氨分解率或氨气流量。

它们对渗氮速度、渗氮层深度、渗氮层硬度、氮浓度梯度和脆性等均可产生重大影响。

（1）渗氮温度

渗氮温度对渗氮层表面最高硬度、渗氮层深度及变形量有很大影响。

渗氮层的硬度随氮化物的增加而升高。

渗氮温度低于500℃，氮化物聚集不显著，弥散度大，渗氮层的硬度最高。

超过560℃，氮化物聚集长大，弥散度显著降低，渗氮层表面硬度也明显下降。

随着渗氮温度升高，氮原子的扩散速度显著增大，同时也加快了渗氮层对活性氮原子的吸收过程，因此渗氮层深度增加。

但温度过高，会使变形增大，心部强度下降。

渗氮温度常在480～560℃范围内选择。

为了不影响零件调质后的心部强度，渗氮温度一般比调质时的回火温度低40～70℃。

（2）渗氮时间

渗氮时，保温时间决定氮原子的渗入深度。

随着渗氮时间的延长，渗氮层深度不断增加，并呈抛物线规律变化，即开始增加速度快，随着时间延长，渗氮层深度的增加越来越慢。

温度不同，渗氮层深度增加的速度也不同，温度越低，增加的速度越慢。

因此，在较低的渗氮温度下（如500℃），要想获得较深的渗氮层是不可能的。

只有提高渗氮温度，才能获得较深的渗氮层。

（3）氨分解率

氨分解率是指在某一温度下，分解出来的氮和氢的混合气体占炉气总体积的百分比，即：

氨分解率=×

100%

对于一定的渗氮温度，氨的分解率有一个合适的范围。

若氨分解率过低，大量的氨来不及分解，提供活性氮原子几率小，不仅渗氮速度低，而且还造成浪费。

若氨分解率过高，炉气中几乎全部由分子态的N2和H2组成，所提供的活性氮原子也极少，同时大量的H2吸附在零件表面将阻碍氮的渗入，从而使表面含氮量降低，渗氮层减薄。

表13-4-1列出了几种渗氮温度与合适的氨分解率范围的对应关系。

表13-4-1几种渗氮温度与合适的氨分解率范围

氨分解率取决于渗氮温度、氨气流量、炉内压力、零件表面积及有无催化剂等因素。

在渗氮过程中，常采用调节氨流量的方法来控制氨分解率。

用氨分解率来控制氮势的过程是一个比较粗略的方法，其控制精度不高，难以根据需要灵活地控制渗氮介质，以保证渗氮层的组织和性能。

随着计算机控制技术的不断发展，炉内氮势已能应用计算机技术进行控制，并在生产上取得了良好的效果。

（4）渗氮过程与操作

渗氮过程包括排气升温、保温渗氮和冷却三个阶段。

①排气升温。

通常采用先通氨排气（空气）后升温，以防止零件升温时发生氧化。

但是为了缩短工艺周期，也可以在排气的同时升温，但应适当加大送入炉内的氨流量，争取零件在较低温度时排除掉炉内的空气。

变形要求不严格的零件可以不控制升温速度，否则应采用较慢的加热速度，或者采用分段加热的方法，以减少零件加热时因热应力引起的变形。

当炉温升到450℃左右时，应控制加热速度不要太快，以免造成保温初期的超温现象。

同时，加大氨的流量，使其分解率控制在工艺要求的下限，保证零件到达一定温度后炉气具有较高的活性，提高渗氮速度。

②保温渗氮。

当渗氮罐内的温度达到要求的渗氮温度时