渗氮处理工艺的应用分析

发布者: 发布时间:2014/1/3 8:51:10 阅读:次 【字体:

内容提要:和传统的淬火等金属表面热处理工艺相比,表面渗氮处理具有无与伦比的优势,本文就目前应用日益广泛的渗氮技术进行了探索研究,以期和读者达到共同学习、提高的目的。

渗氮又称氮化,指使氮原子渗入钢铁工件表层内的化学热处理工艺,其目的是提高零件表面硬度和耐磨性,以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子,被零件吸收后在其表面形成氮化层,同时向心部扩散。氮化通常利用专门设备或井式渗氮炉来进行。气体渗氮在1923年左右,由德国人fry首度研究发展并加以工业化,目前渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善,适用的材料和工件也日益扩大。由于经渗氮处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、耐高温性、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力,并降低缺口敏感性,与渗碳工艺相比,渗氮温度比较低,因而工件畸变小,已成为重要的化学热处理工艺之一,广泛应用于机械、冶金和矿山等行业的齿轮、凸轮、曲轴、工具、冷作模具、热作模具等零件和产品的表面处理。

一、氮化常用材料

传统的合金钢材料中的铝、铬、钒及钼元素在渗氮过程中,与初生态的氮原子接触时,就能生成安定的氮化物,尤其是钼元素,不仅是生成氮化物元素,还能降低在渗氮时所产生的脆性。其他合金钢中的元素,如镍、铜、硅、锰等,对渗氮特性并无多大的帮助。一般而言,如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素,氮化后的效果比较良好。其中铝是最强的氮化物元素,含有0.85~1.5%铝的渗氮结果最佳,如果有足够的铬含量,亦可得到很好的效果,没有含合金的碳钢,因其生成的渗氮层很脆,容易剥落,不适合作为渗氮钢。

二、渗氮过程控制

1.渗氮前的零件表面清洗

通常使用气体去油法去油后立刻渗氮

2.排除渗氮炉中的空气

将被处理零件置于渗氮炉中,并将炉盖密封后即可加热,但加热至150℃以前须作排除炉内空气工作。排除炉内空气的主要目的是使参与渗氮处理的气体只有氨气和氮气两种气体,防止氨气分解时与空气接触而发生爆炸性气体,及防止被处理零件及支架的表面氧化。

3.氨的分解率

渗氮是其它合金元素与初生态的氮接触而进行(初生态氮的产生,由氨气与加热中的零件接触时零件本身成为触媒而促进氨的分解),虽然在各种分解率的氨气下,皆可渗氮,但一般都采用15~30%的分解率,并按渗氮所需厚度保持4~10小时,处理温度保持在520℃左右。

4.冷却

大部份的工业用渗氮炉都有热交换机,在渗氮工作完成后冷却加热炉及被处理零件。即渗氮完成后,将加热电源关闭,使炉温降低约50℃,然后将氨的流量增加一倍后开启热交换机,此时须注意确认炉内压力为正压。等候导入炉中的氨气安定后,即可减少氨的流量至保持炉内正压为止,当炉温下降至150℃以下时,方可启开炉盖。

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三、渗氮工艺路线

锻造退(正)火粗加工(调质处理)精加工磨或研磨渗氮

备注:由于渗氮层较薄,在要求有较高强度的心部组织时,需先进行调质热处理,获得回火索氏体,提高心部机械性能和氮化层质量

四、常用渗氮方式

1.气体渗氮

气体渗氮一般以提高金属的耐磨性为主要目的,因此需要获得高的表面硬度。渗氮后工件表面硬度可达hv850~1200。气体参氮可采用一般渗氮法(即等温渗氮)或多段(二段、三段)渗氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变,温度一般在480~520℃之间,氨气分解率为15~30%,保温时间近80小时。这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件,但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同温度、不同氨分解率、不同保温时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近50小时,能获得较深的渗层,但这样渗氮温度较高,畸变较大。

还有以抗蚀为目的的气体渗氮,渗氮温度在550~700"c之间,保温0.5~3小时,氨分解率为35~70%,工件表层可获得化学稳定性高的化合物层,防止工件受湿空气、过热蒸汽、气体燃烧产物等的腐蚀。

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