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滲氮
化學(xué)熱處理工藝之一
原理應(yīng)用
滲入鋼中的氮一方面由表及里與鐵形成不同含氮量的氮化鐵，一方面與鋼中的合金元素結(jié)合形成各種合金氮化物，特別是氮化鋁、氮化鉻。這些氮化物具有很高的硬度、熱穩(wěn)定性和很高的彌散度，因而可使?jié)B氮后的鋼件得到高的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗咬合性、抗大氣和過熱蒸汽腐蝕能力、抗回火軟化能力，并降低缺口敏感性。與滲碳工藝相比，滲氮溫度比較低，因而畸變小，但由于心部硬度較低，滲層也較淺，一般只能滿足承受輕、中等載荷的耐磨、耐疲勞要求，或有一定耐熱、耐腐蝕要求的機(jī)器零件，以及各種切削刀具、冷作和熱作模具等。滲氮有多種方法，常用的是氣體滲氮和離子滲氮。
鋼鐵滲氮的研究始于20世紀(jì)初，20年代以后獲得工業(yè)應(yīng)用。最初的氣體滲氮，僅限于含鉻、鋁的鋼，后來才擴(kuò)大到其他鋼種。從70年代開始，滲氮從理論到工藝都得到迅速發(fā)展并日趨完善，適用的材料和工件也日益擴(kuò)大，成為重要的化學(xué)熱處理工藝之一。
氣體滲入
一般以提高金屬的耐磨性為主要目的，因此需要獲得高的表面硬度。它適用于38CrMoAl等滲氮鋼。滲氮后工件表面硬度可達(dá)HV850～1200。滲氮溫度低，工件畸變小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如鏜床鏜桿和主軸、磨床主軸、氣缸套筒等。但由于滲氮層較薄，不適于承受重載的耐磨零件。
氣體滲氮可采用一般滲氮法（即等溫滲氮）或多段（二段、三段）滲氮法。前者是在整個滲氮過程中滲氮溫度和氨氣分解率保持不變。溫度一般在480～520℃之間，氨氣分解率為15～30%,保溫時間近80小時。這種工藝適用于滲層淺、畸變要求嚴(yán)、硬度要求高的零件，但處理時間過長。多段滲氮是在整個滲氮過程中按不同階段分別采用不同溫度、不同氨分解率、不同時間進(jìn)行滲氮和擴(kuò)散。整個滲氮時間可以縮短到近50小時，能獲得較深的滲層，但這樣滲氮溫度較高，畸變較大。
還有以抗蝕為目的的氣體滲氮，滲氮溫度在 550～700℃之間，保溫0.5～3小時，氨分解率為35～70%，工件表層可獲得化學(xué)穩(wěn)定性高的化合物層，防止工件受濕空氣、過熱蒸汽、氣體燃燒產(chǎn)物等的腐蝕。
正常的氣體滲氮工件，表面呈銀灰色。有時，由于氧化也可能呈藍(lán)色或黃色，但一般不影響使用。
滲氮
a．等溫滲氮 也稱一段式滲氮法。它是在恒溫下進(jìn)行長時間保溫的滲氮工藝，滲氮溫度510~530℃，其滲氮工藝曲線如圖2-42所示。
第一階段保溫15~20h，為吸氮階段。這一階段采用較低的氨分解率（18%25%）。零件表面因洗后大量氮原子而與零件心部形成氮濃度差。第二階段為擴(kuò)散階段。在這個階段為減少活性氮原子的數(shù)量而將氨分解率提高到30%~40%，保溫時間在60h左右。
滲氮
b．兩段式滲氮 兩段式滲氮工藝曲線如圖2-43所示。第一階段的工藝參數(shù)（除保溫時間外）與等溫滲氮相同。第二階段把滲氮溫度提高到550~560℃，以加速氮原子的擴(kuò)散，縮短滲氮周期，氨分解率提高到40%~60%。根據(jù)對滲氮層的脆性要求，急速前也應(yīng)提前2h提高氨分解率和溫度進(jìn)行退氮處理。
兩段式滲氮的時間比等溫滲氮短，表面硬度稍微低，變形略有增大，適用于滲氮層較深批量較大的零件。
c．三段式滲氮 三段式滲氮工藝曲線如圖2-44所示。
滲氮
三段式滲氮能進(jìn)一步提高滲氮速度，但硬度比一般滲氮工藝低，脆性、變形等比一般滲氮工藝略大。
離子滲入
又稱輝光滲氮，是利用輝光放電原理進(jìn)行的。把金屬工件作為陰極放入通有含氮介質(zhì)的負(fù)壓容器中，通電后介質(zhì)中的氮氫原子被電離，在陰陽極之間形成等離子區(qū)。在等離子區(qū)強(qiáng)電場作用下，氮和氫的正離子以高速向工件表面轟擊。離子的高動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽訜峁ぜ砻嬷了铚囟?。由于離子的轟擊，工件表面產(chǎn)生原子濺射，因而得到凈化，同時由于吸附和擴(kuò)散作用，氮遂滲入工件表面。
與一般的氣體滲氮相比，離子滲氮的特點(diǎn)是：①可適當(dāng)縮短滲氮周期；②滲氮層脆性??；③可節(jié)約能源和氨的消耗量；④對不需要滲氮的部分可屏蔽起來，實現(xiàn)局部滲氮；⑤離子轟擊有凈化表面作用，能去除工件表面鈍化膜，可使不銹鋼、耐熱鋼工件直接滲氮；⑥滲層厚度和組織可以控制。
離子滲氮發(fā)展迅速，已用于機(jī)床絲桿、齒輪、模具等工件。
一、優(yōu)點(diǎn)：滲氮時間短，質(zhì)量容易控制，氮化層耐疲勞、有高強(qiáng)度，由于氮化溫度在520-540，所以工件變形小，表面抗磁性高。
二、缺點(diǎn)：設(shè)備控制復(fù)雜，爐溫均勻性不好。
氮碳共滲
低溫氮碳共滲又稱軟氮化，即在鐵-氮共析轉(zhuǎn)變溫度以下，使工件表面在主要滲入氮的同時也滲入碳。碳滲入后形成的微細(xì)碳化物能促進(jìn)氮的擴(kuò)散，加快高氮化合物的形成。這些高氮化合物反過來又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促進(jìn)便加快了滲入速度。此外，碳在氮化物中還能降低脆性。氮碳共滲后得到的化合物層韌性好，硬度高，耐磨，耐蝕，抗咬合。
常用的氮碳共滲方法有液體法和氣體法。處理溫度530～570℃，保溫時間1～3小時。早期的液體鹽浴用氰鹽，以后又出現(xiàn)多種鹽浴配方。常用的有兩種：中性鹽通氨氣和以尿素加碳酸鹽為主的鹽，但這些反應(yīng)產(chǎn)物仍有毒。氣體介質(zhì)主要有：吸熱式或放熱式氣體（見可控氣氛）加氨氣；尿素?zé)岱纸鈿猓坏巫⒑?、氮?/span>有機(jī)溶劑，如甲酰胺、三乙醇胺等。
氰化cyaniding，指高溫碳氮共滲（早期的碳氮共滲是在有毒的氰鹽浴中進(jìn)行）。由于溫度比較高，碳原子擴(kuò)散能力很強(qiáng)，所以以滲碳為主, 形成含氮的高碳奧氏體，淬火后得到含氮高碳馬氏體。由于氮的滲入促進(jìn)碳的滲入, 使共滲速度較快，保溫4～6h可得到0.5～0.8mm的滲層，同時由于氮的滲入，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，加上共滲溫度比較低，奧氏體晶粒不會粗大，所以鋼件碳氮共滲后可直接淬油，滲層組織為細(xì)針狀的含氮馬氏體加碳氮化合物和少量殘余奧氏體。碳氮共滲層比滲碳層有更高的硬度、耐磨性、抗蝕性、彎曲強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。但一般碳氮共滲層比滲碳層淺，所以一般用于承受載荷較輕，要求高耐磨性的零件。
氮碳共滲不僅能提高工件的疲勞壽命、耐磨性、抗腐蝕和抗咬合能力，而且使用設(shè)備簡單，投資少，易操作，時間短和工件畸變小，有時還能給工件以美觀的外表。
處理工藝
在滲氮零件的整個制造過程中，滲氮往往是最后一道工序，至多再進(jìn)行精磨或研磨。滲氮零件的工藝流程一般為：鍛造→正火（退火）→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→去應(yīng)力→粗磨→滲氮→精磨→裝配。
氮化前的預(yù)熱處理包括正火（退火）、調(diào)質(zhì)處理、去應(yīng)力。
a．正火（退火），其目的是細(xì)化晶粒、降低硬度、消除鍛造應(yīng)力。
生產(chǎn)準(zhǔn)備
b．防滲處理。對零件非滲氮部分，可用電鍍或涂料法進(jìn)行防滲氮處理。
c．滲氮件的表面質(zhì)量應(yīng)良好，不允許有脫碳層存在，因此，零件在預(yù)先熱處理前應(yīng)留有足夠的加工余量，以便在滲氮前的機(jī)加工能將脫碳層全部去除，以保證滲氮層的質(zhì)量。
e．隨爐試樣。隨爐的試樣應(yīng)與滲氮零件通材料并經(jīng)過同樣的預(yù)先處理。
脆性檢驗
a、
級別 | 滲氮層脆性級別說明 |
1 | 壓痕邊角完整無缺 |
2 | 壓痕一邊或一角碎裂 |
3 | 壓痕二邊或二角碎裂 |
4 | 壓痕三邊或三角碎裂 |
5 | 壓痕四邊或四角碎裂 |
b、滲氮層脆性檢驗一般采用維氏硬度計，試驗力10公斤，試驗力的加載必須緩慢（在5-9S內(nèi)完成），試驗力加載完成后必須停留5-10S，然后卸載試驗力，特殊情況也可采用5KG或者30KG試驗力。
c、維氏硬度壓痕在顯微放大100倍下進(jìn)行檢查，每件至少測3點(diǎn)，其中兩點(diǎn)以上處于相同級別時，才能定級。否則需重新檢驗。
d、滲氮層脆性應(yīng)在零件工作部位或隨爐試樣的表面上檢測，一般零件為1-3級為合格，重要零件1-2級為合格，對于滲氮后留有磨痕的零件，也可在磨去加工余量后的表面上進(jìn)行測定
e、經(jīng)氣體滲氮后的零件，必須進(jìn)行檢驗。
化學(xué)成份
滲氮用鋼---凡含有Cr、Mo、V、Ti、Al等元素的低、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、不銹鋼(不銹鋼滲氮前需去除工件表面的鈍化膜，對不銹鋼、耐熱鋼可直接用離子氮化方法處理)、球墨鑄鐵等均可進(jìn)行滲氮. 滲氮后零件雖然具有高硬度、高耐磨性和高的疲勞強(qiáng)度，但只是表面很薄的一層(鉻鉬鋁鋼于500--540C經(jīng)35--65h滲氮層深只達(dá)0.3--0.65mm) .必須有強(qiáng)而韌的心部組織作為滲氮層的堅實基底，才能發(fā)揮滲氮的最大作用。總的來看，大部分滲氮零件是在有摩擦和復(fù)雜的動載荷條件下工作的，不論表面和心部的性能都要求很高.
如果用碳鋼進(jìn)行滲氮，形成Fe 4N和Fe 2N較不穩(wěn)定。溫度稍高，就容易聚集粗化，表面不可能得到更高的硬度，并且其心部也不能具有更高的強(qiáng)度和韌性.
為了在表面得到高硬度和高耐磨性，同時獲得強(qiáng)而韌的心部組織，必須向鋼中加入一方面能與氮形成穩(wěn)定氮化物，另外還能強(qiáng)化心部的合金元素。如Al、Ti、V、W、Mo、Cr等，均能和氮形成穩(wěn)定的化合物。其中Cr、W、Mo、V還可以改善鋼的組織，提高鋼的強(qiáng)度和韌性.
當(dāng)前專門用于滲氮的鋼種是38CrMoAlA,其中鋁與氮有極大的親和力，是形成氮化物提高滲氮層強(qiáng)度的主要合金元素.AlN很穩(wěn)定，到約1000C的溫度在鋼中不發(fā)生溶解。由于鋁的作用使鋼具有良好的滲氮性能，此鋼經(jīng)過滲氮表面硬度高達(dá)1100--1200HV(相當(dāng)67--72HRC).38CrMoAlA鋼脫碳傾向嚴(yán)重，各道工序必須留有較大的加工余量.
注意事項
(1)滲氮前的預(yù)備熱處理調(diào)質(zhì)--滲氮工件在滲氮前應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以獲得回火索氏體組織。調(diào)質(zhì)處理回火溫度一般高于滲氮溫度.
(2)滲氮前的預(yù)備熱處理去應(yīng)力處理--滲氮前應(yīng)盡量消除機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力以穩(wěn)定零件尺寸。消除應(yīng)力的溫度均應(yīng)低于回火溫度，保溫時間比回火時間要長些，再緩慢冷卻到室溫。斷面尺寸較大的零件不宜用正火。工模具鋼必須采用淬火回火，不得用退火.
(4)含有尖角和銳邊的工件，不宜進(jìn)行氮化處理.
(5)局部不氮化部位的保護(hù)，不宜用留加工余量的方法.
(6)表面未經(jīng)磨削處理的工件，不得進(jìn)行氮化.
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