1.2 氣體滲氮
1.2.1 氣體滲氮設(shè)備及滲氮介質(zhì)
井式氣體氮化爐
滲氮設(shè)備一般由滲氮爐、供氨系統(tǒng)、氨分解測定系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)組成。氣體滲氮的裝置如圖2所示。
▲圖2 氣體滲氮裝置
滲氮爐有井式電阻爐、鐘罩式爐及多用箱式爐等。爐膛均應(yīng)具有良好的密封性。爐中的滲氮罐一般用1Cr18Ni9Ti不銹鋼制造，鋼中的鎳及鎳的某些化合物對氨的分解具有很強(qiáng)的催化作用，而且隨著滲氮的爐次增加，催化作用增強(qiáng)，使氨分解率不斷增加，必須加大氨的通入量才能穩(wěn)定滲氮質(zhì)量。因此,在使用若干爐次后，應(yīng)定期對滲氮罐進(jìn)行退氮處理(退氮工藝為800~860C,空載保溫2~4h)。目前，已有低碳鋼搪瓷滲氮罐應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，可保證運(yùn)行400h氨的分解率基本不變。
氨氣的流量和壓力可通過針形閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。罐內(nèi)壓力用 U 形油壓計測量，一般控制在30一50mm 油柱。泡泡瓶內(nèi)盛水,以觀察供氮系統(tǒng)的流通狀況。在滲氮工藝控制技術(shù)中，滲氮?dú)夥盏摹暗獎?可定義為
可見，氨分解率越低(通氨越多)，氮勢越高。生產(chǎn)中通常是通過調(diào)節(jié)氨分解率來控制滲氮過程的。氨分解率測定儀見圖3。
它是利用氨易溶于水而其分解產(chǎn)物不溶于水這一特性進(jìn)行測量的。使用時首先關(guān)閉進(jìn)水閥并將爐罐中的廢氣引入標(biāo)有刻度的玻璃容器中，然后依次關(guān)閉排氣、排水閥和進(jìn)氣閥，打開進(jìn)水閥，向充滿廢氣的玻璃容器注水。由于氨溶于水，水占有的體積即可代表未分解氨的容積，剩余容積為分解產(chǎn)物占據(jù)，從刻度可直接讀出氨分解率
近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，以電信號來反映氨分解率的測量儀器已投入生產(chǎn)應(yīng)用，使得滲氮過程微機(jī)控制成為可能。這種氨分解率測定儀器可分為兩大類：一類是利用氫氣、氮?dú)饧鞍睔獾膶?dǎo)熱性差異測定氨分解率；另一類是根據(jù)多原子氣體對輻射的選擇吸收作用，用紅外線測量爐氣成分，從而確定氨分解率。
滲氮用液氨應(yīng)符合GB536-xxxx一級品的規(guī)定，純度大于95%。導(dǎo)入滲氮罐前，應(yīng)先經(jīng)過裝有干燥劑（硅膠、氯化鈣、生石灰或活性氧化鋁等）的裝置脫水，氨氣中水的含量應(yīng)＜2% 。
1.2.2氣體滲氮工藝參數(shù)及操作過程
（1）滲氮溫度
以提高表面硬度和強(qiáng)度為目的的滲氮處理，其溫度一般為480~570℃。滲氮溫度越高，擴(kuò)散速度越快，滲層越深。氮滲溫度超過550℃，合金氮化物將發(fā)生聚集長大而使硬度下降。參見圖4 。
（2）滲氮時間
滲氮保溫時間主要決定滲層深度，對表面硬度也有不同程度的影響。見圖4 b）
滲氮層深度隨滲氮時間延長而加深，符合拋物線規(guī)律，即滲氮初期深度隨時間的增長率大，隨后增長率趨緩。滲氮初表面硬度隨著時間延長而下降，這同樣與合金氮化物聚集長大有關(guān)，而且滲氮溫度越高，長大速度越快，對硬度的影響也越明顯。
滲氮過程中鋼件就是NH
3
分解的觸媒。與工件表面接觸的NH3，才能提供活性氮原子。因而氨分解率越低，就會有越多的氨與工件接觸，向工件提供可滲入的氮原子的能力就越強(qiáng)。但分解率不可過低，否則易使合金鋼工件表面產(chǎn)生脆性白亮層。氨分解率偏低還會使?jié)B氮層硬度下降。所以，氨分解率一般控制在15%~40%之間。
氨分解率用氨流量調(diào)節(jié)。氨流量一定時，溫度越高，分解率越大。為了使氨分解率達(dá)到工藝規(guī)定的數(shù)值，必須增加氨氣流量。
裝爐前，需對工件表面的銹斑、油污、鐵屑及其他污物進(jìn)行清理，以保證氮的有效吸附。常用的清洗劑有水溶性清洗劑、汽油、四氯化碳等。用水溶性清洗劑清洗過的工件，還應(yīng)使用清水漂洗干凈、烘干。
氣體滲氮包括排氣、升溫、保溫、冷卻三個過程。滲氮操作應(yīng)先排氣后升溫，排氣與升溫也可同時進(jìn)行。在450℃以上，應(yīng)降低升溫速度，避免超溫。保溫階段應(yīng)嚴(yán)格控制氮?dú)饬髁俊囟取狈纸饴屎蜖t壓，保證滲氮質(zhì)量。滲氮保溫結(jié)束后，停電降溫，但應(yīng)繼續(xù)通人氨氣保持正壓，以防止空氣進(jìn)入，使工件表面產(chǎn)生氧化色。溫度降至200℃以下,可停止供氨，工件出爐。對一些畸變要求不嚴(yán)格的工件可在保溫后立即吊出爐外油冷。
1.2.3 結(jié)構(gòu)鋼與工具鋼的滲氮
一段滲氮是在同一溫度下(一般在480-530℃)長時間保溫的氮工藝。在15~20h內(nèi)采用較低的氨分解率使工件表面迅速吸收大量氮原子，并形成彌散分布的氮化物，提高工件表面硬度；在中間階段，氨分解率可提高到30%~40%，使表層氮原子向內(nèi)擴(kuò)散，增加滲層深度；保溫結(jié)束前2-4h，氨分解率應(yīng)控制在70%以上，進(jìn)行退氮處理，減薄或清除脆性白亮層。
第一段的滲氮溫度和氮分解率與一段滲氮相同，目的是在工件表面形成高彌散度的氮化物；第二段采用較高的溫度(一般550-600℃)和氨分解率(40%-60%)，以加速氮在鋼中的擴(kuò)散，增加滲氮層深度，并使?jié)B層的硬度分布趨于平緩。由于第一階段在較低溫度下形成的高度彌散細(xì)小的氮化物穩(wěn)定性高，因而其硬度下降不明顯。兩段滲氮可縮短滲氮周期，但表面硬度稍有下降，畸變量有所增加。
三段滲氮是針對二段滲氮的一些不足進(jìn)行改進(jìn)而形成的。其特點(diǎn)是在兩段滲氮處理后再在520℃左右繼續(xù)滲氮以提高表面硬度。常見結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼的氣體滲氮工藝規(guī)范見表7 。
▼表7 結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼氣體滲氮工藝規(guī)范
（4） 抗蝕滲氮
抗蝕滲氮的目的是獲得厚度為15~60μm的致密 ε 相的滲層，以提高工件在大氣及水中的抗蝕能力。抗蝕滲氮氨分解率不應(yīng)超過70%，滲氮溫度可達(dá)600~700℃，保溫時間以獲得要求的滲層深度為依據(jù)，但時間又不能過長，以免 ε 變脆。表8 是純鐵、碳素鋼抗蝕滲氮工藝。
▼表8 純鐵、碳素鋼的抗蝕滲氮工藝
為了使?jié)B氮層具有足夠的抗蝕性，應(yīng)保持 ε 相層具有50%以上的致密區(qū)。檢查抗蝕滲氮層的質(zhì)量，可將滲氮零件浸入10%的硫酸銅溶液中靜置2~3min，以零件表面不沉淀析出銅為合格。
（5）可控滲氮
在一定的滲氮時間內(nèi)，形成化合物所需的最低氮勢稱為氮勢門檻值。材質(zhì)、滲氮工藝參數(shù)、工件表面狀況、爐內(nèi)氣流特點(diǎn)等因素都會影響氮勢門檻值 。氮勢門檻值可以通過實(shí)際測量繪制，是制訂可控滲氮工藝的重要依據(jù)。圖5 是通過試驗做出的40CrMo鋼制發(fā)動機(jī)曲軸的無白亮層氣氛氮勢與時間的關(guān)系曲線。
▲圖5 40CrMo不出現(xiàn)白亮層的氮勢門檻值與滲氮時間關(guān)系（滲氮溫度515℃）
1-出現(xiàn)白亮層區(qū) 2-不出現(xiàn)白亮層區(qū)
所謂可控滲氮，就是根據(jù)氮勢門檻值曲線，實(shí)時調(diào)整工藝參數(shù)，獲得工件所需的滲氮層組織。
