气体渗氮处理：设备、操作及工艺优化

时间：2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：表9-2 常用的渗氮钢种9.2.1.2 渗氮设备渗氮设备是完成渗氮处理最重要的条件。图9-9 抗蚀渗氮工艺曲线9.2.1.6 渗氮操作装炉装炉前先清理干净渗氮件，表面的污垢、锈斑、氧化

气体渗氮处理：设备、操作及工艺优化

气体渗氮亦称氮化，是钢铁热处理工艺中广泛应用的表面硬化技术之一。其最大优点是处理温度低、畸变小、适用钢种多、强化效果显著、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳，从而获得广泛应用。气体渗氮技术发明于20世纪20年代，20世纪30年代以后逐步获得广泛应用。二次大战后世界工业高速发展，使渗氮工艺从用钢、工艺方法、技术参数、氮浓度和组织控制，催渗剂等都有很大进展。直到20世纪80年代应用微机实现了氮势的自动控制，并使气体渗氮处理更广泛地应用于机床、内燃机、航天航空、核工业等重要工业领域。20世纪60年代以来辉光离子渗氮法虽然获得广泛的工业应用，但在许多情况下气体渗氮仍不失为一种有效的强化手段。

在我国钢的气体渗氮应用虽然起步较晚，但目前很多工厂都拥有气体渗氮处理装备，多数电炉制造厂都能生产气体渗氮炉，部分设备还采用微机控制工艺参数和氮势。这对改善渗氮层质量和综合性能有重要意义。

9.2.1.1 适宜渗氮的钢种

适宜渗氮的钢种很多，多种结构钢、工具钢、不锈钢和耐热钢都可以施行渗氮（见表9-2）。最常用来渗氮的钢种有中碳铬钢、铬钼钢、铬钼钒钢、铬钼铝钢等结构钢种以及铁基粉末冶金件。其中使用最多的是38CrMoAlA，渗氮速度快、渗后硬度高、耐磨性好、心部强度高是其优点。但是这种钢冶炼时难以除掉夹杂物，对过热敏感，易出现轧制裂纹，调质淬火温度偏高，容易氧化脱碳，由于含铝多，渗层中存在AIN，脆性大、钢材淬透性差等是其缺点。因此，国内外在近代开发出了一系列的无铝渗氮钢，以含Cr、Mo元素为主，再添加W、Ni、V、Ti等元素。这些钢渗氮后脆性小，含Ni钢心部韧性好，作结构件材料渗氮后可获得满意的硬度、耐磨性，在强韧性方面可得到理想的配合，所以使用逐渐广泛。在机床行业用40Cr钢制造的主轴、丝杠采取气体渗氮和离子渗氮工艺的很多，虽然表面硬度不是很高，但疲劳强度有很大改善。在中碳铬钢基础上添加V、Ti等和N有较大亲和力的元素可以提高渗氮速度，形成所谓的“快速渗氮钢”也是渗氮钢重要发展方向之一。

表9-2 常用的渗氮钢种

9.2.1.2 渗氮设备

渗氮设备（主要用渗氮炉）是完成渗氮处理最重要的条件。标准（GB/T 18177—2008）对渗氮炉提出一般应保证的要求。其中实际温度偏差规定不超过±10℃。这对目前常用的不带风扇及导风套的炉子来说很难达到，工厂必须对老式渗氮炉加以改造。

目前很多工厂的渗氮炉漏气严重。一方面污染环境，影响工人健康，另一方面又消耗大量氨气。

（1）测温与控温测温热电偶必须放置在渗氮炉罐的有效加热区内，测得的温度才是真正的渗氮实际温度。控温热电偶一般认为放在炉罐内为好，但实际却不然。炉罐内的热量系由电热丝提供，经炉罐外壁透入。罐内温度场热惰性大，炉罐到温后，罐外温度高出罐内较多。切断电源后，罐内由于热惰性会继续升温。反之，切断电源后罐外先降温，等到罐内降到工艺温度以下继电器再闭合通电时，罐外实际温度已远远低于工艺温度，炉罐内温度会继续下降。所以用罐内热电偶来控温就会使罐内实际温度上下波动很大，严重降低控温精度。理想的方法是以罐内热电偶作测温指示，用罐外热电偶控制各加热区温度。

（2）表面氮浓度控制最好能采用微机来控制氮势。也可用手动调节进氨阀、排气阀、流量、压力等来控制氨分解率，以获得满意的工艺效果。目前渗氮只用氨气一种气源，不单独另加氮、氢等气体。因此氨气的流量、分解率等直接影响渗氮能力。提高炉内压力或加大氨气流量，都可降低氨分解率，使渗氮件表面获得较高的氮含量，较厚的化合物层及较高的硬度。而关小排气阀、减少氨流量，分解率就增大，表层的氮化物层就薄。至于渗氮层深度与渗氮速度主要取决于渗氮工艺温度与保温时间。

9.2.1.3 预备热处理

1）预备热处理对渗氮层性能，渗氮件综合力学性能有显著影响。经预先调质再渗氮处理可获得高的表面硬度和高的疲劳强度，具有良好的综合力学性能。对调质组织的具体要求应执行GB/T 11354—2005的规定。正火比调质工艺简单，如设计师认为可以正火代替调质的，就可显著降低生产成本。

2）渗氮后的工件不允许校直，以避免渗层崩裂。工件预备热处理（调质或正火）后的畸变可以校直，但随后必须立即施行去应力退火，以使渗氮后的畸变减至最低程度。

9.2.1.4 渗氮前的准备

（1）防渗对工件不需渗氮部位应采取下列之一的防渗措施：

1）预留2倍层深以上的加工余量。

2）镀0.003～0.015mm的锡。

3）镀0.02以上的无孔隙铜。

4）镀0.02～0.04mm的镍。

（2）表面清理用碱液或溶剂清洗方法除去工件表面油脂、污物。不锈钢件用喷砂或化学法除去表面钝化膜。

（3）渗氮试样每炉渗氮件都应配置一枚或数枚（不同装炉部位）与工件同样材料，同样原始状态，尺寸为φ（20～30）mm×（6～10）mm的试样。

9.2.1.5 渗氮工艺

（1）一段渗氮也称等温渗氮，即在恒定温度下长时间的渗氮。一般渗氮温度是500～510℃，保温时间一般60～72h，有时可放宽到48～100h，（见图9-6）主要视深度要求而定。经510℃×72h处理后，渗氮层深度可达0.45～0.50mm，表面硬度可达900HV10以上，经常可在950HV10以上。100h的深度可达0.06mm。等温渗氮渗层脆性较大。

图9-6 三段渗氮工艺钢材为38CrMoAlA，其他结构钢可参考使用（渗氮后的表面硬度≥900HV，渗层深度为0.35～0.60mm）

（2）多段渗氮在两个或以上温度阶段保持渗氮（见图9-7和图9-8）。两段渗氮适用于渗层较深、硬度略低、畸变要求小、化合物层浅的工件。三段渗氮适用于硬度要求高、畸变小、效率高的渗氮。

图9-7 一段渗氮工艺曲线钢材为38CrMoAlA，其他结构钢可参考使用（渗氮后的表面硬度≥900HV，渗氮深度为0.35～0.60mm）

图9-8 二段渗氮工艺曲线

（3）抗蚀渗氮在600～700℃短时等温渗氮（见图9-9），以获得一定厚度的致密ε相层。

图9-9 抗蚀渗氮工艺曲线

9.2.1.6 渗氮操作

（1）装炉装炉前先清理干净渗氮件，表面的污垢、锈斑、氧化皮、特别应注意去除油垢、油脂。要彻底去除干净工件的螺孔、不通孔、沉割槽等处的防锈油脂。用汽油清洗时还要等其蒸发干燥后才可装炉，否则油脂在加热炉内形成包围工件的油气，和工件表面的油膜。就会阻碍渗氮的顺利进行，产生局部硬度低与渗氮层深度不均匀。局部硬度偏低，在磨削时就会使局部直径磨细。高精度磨床直径磨细0.003mm就要报废。不只是工件，工夹具也不许带油脂。

要注意均匀装炉，工件吊挂合理，间隔不小于5mm。工件不能紧贴罐壁，否则工件温度会偏高。板块形工件在井式炉中应纵向吊挂，使炉罐内气氛能上下流通，也便于使温度均匀装炉量不宜过大，每次装炉量要保持基本近似，以保证工件的实际表面积无大变化，这样，就可保持稳定的产品质量。(www.xing528.com)

（2）退氮只是在气体渗氮时才有的工艺过程，其目的是降低表面氮浓度，以减少渗层脆性。具体办法是在高氨分解率（>85%，减少氨通入量）下保持数小时。长时使用的渗氮炉罐和吊挂工夹具亦需退氮，可在600～650℃的空气中加热保持4～6h。

9.2.1.7 渗氮后的质量检验

（1）裂纹与剥落渗氮过程中一般不会形成裂纹，更很少有剥落。如果工件原来就有裂纹、渗氮后就会明显暴露出来。

（2）疏松渗氮件表面产生疏松后，返修时难以改善，只有靠磨削加工来消除。如去不掉的就只好报废。过去标准中的疏松典型图片全是针对低碳钢退火组织试件，调质或正火的中碳钢是很少发生疏松的。表面化合物层的疏松情况可按GB/T 11354—2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》来执行。

（3）硬度渗氮件硬度检验是一项最重要的检验项目，即要准确又要符合标准。渗氮层表面硬度检验按GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》的规定执行。遇有国际仲裁项目时，可按日本JIS Z 2244标准，采取HV10的载荷。美国MIL-N-22061标准规定用表面洛氏硬度法15kg（HR15N）来测定，表面洛氏硬度计测定快，方法简便。

（4）渗氮层深度渗氮层深度一般均用金相法测定，出现问题需要仲裁时，应用硬度法判定，按规定用HV0.3测定到比基体高50HV0.3的地方。

（5）畸变渗氮处理虽然温度不高，但畸变还是会产生。美国西屋公司的渗氮零件绝对禁止冷热校直。美国军用渗氮标准也规定不许校直。

（6）试样数量试样必须与渗氮件的材料相同，预先热处理的工艺相同、表面无缺陷、表面加工粗糙度相同。

9.2.1.8 气体渗氮工艺数据

1.钢渗氮前的热处理和力学性能

结构钢渗氮前的调质工艺和调质后的硬度列于表9-3。表9-4所列为常用不锈钢、耐热钢渗氮前的热处理工艺和热处理后的硬度。

表9-3 结构钢渗氮前的调质工艺和调质后的硬度