滲氮

滲氮

滲氮,是在一定溫度下一定介質中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。常見有液體滲氮氣體滲氮離子滲氮。傳統的氣體滲氮是把工件放入密封容器中,通以流動的氨氣並加熱,保溫較長時間後,氨氣熱分解產生活性氮原子,不斷吸附到工件表面,並擴散滲入工件表層內,從而改變表層的化學成分和組織,獲得優良的表面性能。如果在滲氮過程中同時滲入碳以促進氮的擴散,則稱為氮碳共滲。常用的是氣體滲氮離子滲氮

基本介紹

  • 中文名:滲氮
  • 定義:滲入工件表層的化學熱處理工藝
  • 類型液體滲氮、氣體滲氮、離子滲氮
  • 工具:體滲氮和離子滲氮
原理套用,氣體滲入,離子滲入,氮碳共滲,處理工藝,生產準備,脆性檢驗,化學成份,注意事項,

原理套用

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、熱穩定性和很高的彌散度,因而可使滲氮後的鋼件得到高的表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗咬合性、抗大氣和過熱蒸汽腐蝕能力、抗回火軟化能力,並降低缺口敏感性。與滲碳工藝相比,滲氮溫度比較低,因而畸變小,但由於心部硬度較低,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
鋼鐵滲氮的研究始於20世紀初,20年代以後獲得工業套用。最初的氣體滲氮,僅限於含鉻、鋁的鋼,後來才擴大到其他鋼種。從70年代開始,滲氮從理論到工藝都得到迅速發展並日趨完善,適用的材料和工件也日益擴大,成為重要的化學熱處理工藝之一。

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。它適用於38CrMoAl等滲氮鋼。滲氮後工件表面硬度可達HV850~1200。滲氮溫度低,工件畸變小,可用於精度要求高、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。但由於滲氮層較薄,不適於承受重載的耐磨零件。
氣體滲氮可採用一般滲氮法(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。這種工藝適用於滲層淺、畸變要求嚴、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採用不同溫度、不同氨分解率、不同時間進行滲氮和擴散。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穩定性高的化合物層,防止工件受濕空氣、過熱蒸汽、氣體燃燒產物等的腐蝕。
正常的氣體滲氮工件,表面呈銀灰色。有時,由於氧化也可能呈藍色或黃色,但一般不影響使用。
滲氮工藝 常用的氣體滲氮工藝有等溫滲氮、二段式滲氮和三段式滲氮三種方法。
滲氮
a.等溫滲氮 也稱一段式滲氮法。它是在恆溫下進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。這一階段採用較低的氨分解率(18%25%)。零件表面因洗後大量氮原子而與零件心部形成氮濃度差。第二階段為擴散階段。在這個階段為家少活性氮原子的數量而將氨分解率提高到30%~40%,保溫時間在60h左右。
為減少滲氮層的脆性,在滲氮結束前2~4h進行退氮處理,氨分解率提高到70%以上,退氮溫度提高到560~570℃。等溫滲氮工藝過程簡單,滲氮溫度較低、滲層淺、零件變形小、表面硬度高,但滲氮速度慢,產生周期長,適用於滲氮深度淺,尺寸精度和硬度要求高的零件。
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(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℃,以加速氮原子的擴散,縮短滲氮周期,氨分解率提高到40%~60%。根據對滲氮層的脆性要求,急速前也應提前2h提高氨分解率和溫度進行退氮處理。
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,適用於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。
它是在二段式滲氮基礎上發展起來的。這種工藝是將第二階段的溫度適當提高,以加快滲氮過程,同時增加較低溫度的第三階段,以彌補因第二階段氮的擴散快而使表面氮濃度過低,保證表面含氮量以提高表面硬度。
滲氮
三段式滲氮能進一步提高滲氮速度,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行的。把金屬工件作為陰極放入通有含氮介質的負壓容器中,通電後介質中的氮氫原子被電離,在陰陽極之間形成等離子區。在等離子區強電場作用下,氮和氫的正離子以高速向工件表面轟擊。離子的高動能轉變為熱能,加熱工件表面至所需溫度。由於離子的轟擊,工件表面產生原子濺射,因而得到淨化,同時由於吸附和擴散作用,氮遂滲入工件表面。
與一般的氣體滲氮相比,離子滲氮的特點是:①可適當縮短滲氮周期;②滲氮層脆性小;③可節約能源和氨的消耗量;④對不需要滲氮的部分可禁止起來,實現局部滲氮;⑤離子轟擊有淨化表面作用,能去除工件表面鈍化膜,可使不鏽鋼、耐熱鋼工件直接滲氮;⑥滲層厚度和組織可以控制。
離子滲氮發展迅速,已用於工具機絲桿、齒輪、模具等工件。
一、優點:滲氮時間短,質量容易控制,氮化層耐疲勞、有高強度,由於氮化溫度在520-540,所以工件變形小,表面抗磁性高。
二、缺點:設備控制複雜,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。碳滲入後形成的微細碳化物能促進氮的擴散,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。氮碳共滲後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,以後又出現多種鹽浴配方。常用的有兩種:中性鹽通氨氣和以尿素加碳酸鹽為主的鹽,但這些反應產物仍有毒。氣體介質主要有:吸熱式或放熱式氣體(見可控氣氛)加氨氣;尿素熱分解氣;滴注含碳、氮的有機溶劑,如甲醯胺、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行)。由於溫度比較高,碳原子擴散能力很強,所以以滲碳為主, 形成含氮的高碳奧氏體,淬火後得到含氮高碳馬氏體。由於氮的滲入促進碳的滲入, 使共滲速度較快,保溫4~6h可得到0.5~0.8mm的滲層,同時由於氮的滲入,提高了過冷奧氏體的穩定性,加上共滲溫度比較低,奧氏體晶粒不會粗大,所以鋼件碳氮共滲後可直接淬油,滲層組織為細針狀的含氮馬氏體加碳氮化合物和少量殘餘奧氏體。碳氮共滲層比滲碳層有更高的硬度、耐磨性、抗蝕性、彎曲強度和接觸疲勞強度。但一般碳氮共滲層比滲碳層淺,所以一般用於承受載荷較輕,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

在滲氮零件的整個製造過程中,滲氮往往是最後一道工序,至多再進行精磨或研磨。滲氮零件的工藝流程一般為:鍛造→正火(退火)→粗加工→調質→精加工→去應力→粗磨→滲氮→精磨→裝配。
氮化前的預熱處理包括正火(退火)、調質處理、去應力。
a.正火(退火),其目的是細化晶粒、降低硬度、消除鍛造應力。
b.調質處理,可以改善鋼的加工性能,獲得均勻的回火索氏體組織,以保證零件心部有足夠的強度和韌性,同時又能使滲氮層和基本結合牢固。
c.去應力處理,對於形狀複雜的精密零件,在滲氮前應進行1~2次去應力,以減少滲氮過程中的變形。

生產準備

a.去污處理。零件裝爐前要用汽油或酒精進行脫脂、去污處理,零件表面不允許有鏽蝕及髒污。
b.防滲處理。對零件非滲氮部分,可用電鍍或塗料法進行防滲氮處理。
c.滲氮件的表面質量應良好,不允許有脫碳層存在,因此,零件在預先熱處理前應留有足夠的加工餘量,以便在滲氮前的機加工能將脫碳層全部去除,以保證滲氮層的質量。
d.裝爐前檢查設備和滲氮夾具、電系統、管道、氨分解測定儀等應保證正常使用;滲氮夾具不允許有髒物或氧化皮,如有應清除。
e.隨爐試樣。隨爐的試樣應與滲氮零件通材料並經過同樣的預先處理。

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採用維氏硬度計,試驗力10公斤,試驗力的載入必須緩慢(在5-9S內完成),試驗力載入完成後必須停留5-10S,然後卸載試驗力,特殊情況也可採用5KG或者30KG試驗力。
c、維氏硬度壓痕在顯微放大100倍下進行檢查,每件至少測3點,其中兩點以上處於相同級別時,才能定級。否則需重新檢驗。
d、滲氮層脆性應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,對於滲氮後留有磨痕的零件,也可在磨去加工餘量後的表面上進行測定
e、經氣體滲氮後的零件,必須進行檢驗。

化學成份

滲氮用鋼---凡含有Cr、Mo、V、Ti、Al等元素的低、中碳合金結構鋼、工具鋼、不鏽鋼(不鏽鋼滲氮前需去除工件表面的鈍化膜,對不鏽鋼、耐熱鋼可直接用離子氮化方法處理)、球墨鑄鐵等均可進行滲氮. 滲氮後零件雖然具有高硬度、高耐磨性和高的疲勞強度,但只是表面很薄的一層(鉻鉬鋁鋼於500--540C經35--65h滲氮層深只達0.3--0.65mm) .必須有強而韌的心部組織作為滲氮層的堅實基底,才能發揮滲氮的最大作用.總的來看,大部分滲氮零件是在有摩擦和複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.
如果用碳鋼進行滲氮,形成Fe 4N和Fe 2N較不穩定。溫度稍高,就容易聚集粗化,表面不可能得到更高的硬度,並且其心部也不能具有更高的強度和韌性.
為了在表面得到高硬度和高耐磨性,同時獲得強而韌的心部組織,必須向鋼中加入一方面能與氮形成穩定氮化物,另外還能強化心部的合金元素.如Al、Ti、V、W、Mo、Cr等,均能和氮形成穩定的化合物.其中Cr、W、Mo、V還可以改善鋼的組織,提高鋼的強度和韌性.
當前專門用於滲氮的鋼種是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度的主要合金元素.AlN很穩定,到約1000C的溫度在鋼中不發生溶解.由於鋁的作用使鋼具有良好的滲氮性能,此鋼經過滲氮表面硬度高達1100--1200HV(相當67--72HRC).38CrMoAlA鋼脫碳傾向嚴重,各道工序必須留有較大的加工餘量.

注意事項

(1)滲氮前的預備熱處理調質--滲氮工件在滲氮前應進行調質處理,以獲得回火索氏體組織.調質處理回火溫度一般高於滲氮溫度.
(2)滲氮前的預備熱處理去應力處理--滲氮前應儘量消除機械加工過程中產生的內應力以穩定零件尺寸.消除應力的溫度均應低於回火溫度,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.工模具鋼必須採用淬火回火,不得用退火.
(3)滲氮零件的表面粗糙度Ra應小於1.6um,表面不得有拉毛、碰傷及生鏽等缺陷.不能及 時處理的零件須塗油保護,以免生鏽.吊裝入爐時再用清潔汽油擦淨以保證清潔度.
(4)含有尖角和銳邊的工件,不宜進行氮化處理.
(5)局部不氮化部位的保護,不宜用留加工餘量的方法.
(6)表面未經磨削處理的工件,不得進行氮化.

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