渗氮处理及工艺,总结的真到位!

May 18 2015 点击:1151

      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。

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℃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。

2.离子渗氮

  又称辉光渗氮,是利用辉光放电原理进行的。把金属工件作为阴极放入含氮介质的负压容器中,通电后介质中的氮氢原子被电离,在阴阳极之间形成等离子区,在等离子区强电场作用下,氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击,离子的高动能转变为热能,加热工件表面至所需温度。由于离子的轰击,工件表面产生原子溅射,因而得到净化,同时由于吸附和扩散作用,氮遂渗入工件表面。

     离子渗氮最重要的特点之一是可以通过控制渗氮气氛的组成、气压、电参数、温度等因素来控制表面化合物层(俗称白亮层)的结构和扩散层组织,从而满足零件的服役条件和对性能的要求。

3.氮碳共渗

  又称软氮化或低温碳氮共渗,即在铁—氮共析转变温度以下,使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳,碳渗入后形成的微细碳化物能促进氮的扩散,加快高氮化合物的形成,这些高氮化合物反过来又能提高碳的溶解度,碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。此外,碳在氮化物中还能降低脆性。

常用的氮碳共渗方法有液体法和气体法,处理温度530~570℃,保温时间1~3小时。早期的液体盐浴用氰盐,以后又出现多种盐浴配方。常用的有两种:中性盐通氨气和以尿素加碳酸盐为主的盐,但这些反应产物仍有毒。气体介质主要有:吸热式或放热式气体加氨气,尿素热分解气,滴注含碳、氮的有机溶剂,如甲酰胺、三乙醇胺等。

五、常见渗氮缺陷及其原因

1.硬度偏低

  生产实践中,工件渗氮后其表面硬度有时达不到工艺规定的要求,轻者可以返工,重者则造成报废。

      造成硬度偏低的原因通常有:

  设备方面:如系统漏气造成氧化。

  材料方面:如材料选择不合理。

  前期热处理:如基体硬度太低,表面脱碳严重等。

  工件预处理不彻底:如进炉前的清洁方式及清洁度。

  工艺方面:如渗氮温度过高或过低,时间短或氮浓度不足等等。

2.硬度和渗层不均匀

  主要原因有:

  装炉方式不合理。

  气压调节不当。

  渗氮处理期间温度不均匀。

  炉内气流不合理。

3.渗氮后零件变形过大

  变形是难以避免的,对易变形件,采取以下措施,有利于减小变形:

  渗氮前应进行稳定化处理。

  渗氮过程中的升、降温速度应缓慢。

  保温阶段尽量使工件各处的温度均匀一致,对变形要求严格的工件,在工艺范围内,尽可能采用较低的氮化温度。

4.外观颜色有差别

  不同材质的零件经渗氮处理后表面颜色是略有区别的,零件出炉后首先用肉眼检查外观质量,钢件经渗氮处理后表面通常呈银灰(蓝黑色)色或暗灰色(蓝黑色),钛及钛合金件表面应呈金黄色。

5.脉状氮化物

  氮化(特别是离子氮化)易出现脉状氮化物,即扩散层与表面平行走向呈白色波纹状的氮化物。其形成机理尚无定论,一般认为与合金元素在晶界偏聚及氮原子的扩散有关。因此,控制合金元素偏聚的措施均有利于减轻脉状氮化物的形成。工艺参数方面,渗氮温度越高,保温时间越长,越易促进脉状组织的形成,如工件的棱角处,因渗氮温度相对较高,脉状组织比其它部位严重得多。

来自《金属加工》