滲氮熱處理有哪些工藝

滲氮熱處理有哪些工藝

滲氮又稱氮化，是指（在一定溫度下當爐內(nèi)氣氛達到一定要求的情況下）將氮原子滲入到金屬工件表層，使其表面形成一種能夠提高零件表面硬度和表面耐磨性的一種化學(xué)熱處理工藝。氮化可以分為：氣體氮化、液體氮化和離子氮化。本文主要介紹一種新型氣體氮化工藝——零流量氣體滲氮。

根據(jù)不同工藝載體，氣體氮化可以分為：傳統(tǒng)氣體滲氮（100%NH₃），可控氣體滲氮（NH₃+DissNH₃或NH₃+N₂）和零流量技術(shù)滲氮（100%NH₃）。

傳統(tǒng)氣體滲氮工藝

傳統(tǒng)氣體滲氮工藝由德國AFRY在1923年所發(fā)表，將工件置于爐內(nèi)，在500～550℃時將氨氣通入到爐內(nèi)，保持20～100h，使氨氣分解為原子狀態(tài)的（N）和（H），是（N）和金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)滲氮處理，從而獲得工件表面的高硬度，良好的抗疲勞性能，提高耐腐蝕性。通常滲氮層的厚度為0.02～0.2mm，表面硬度能夠達到1000～1200HV。NH3分解率取決于流量的大小與溫度的高低而有所改變，流量愈大則分解度愈低，流量愈小則分解率愈高，溫度愈高分解率愈高，溫度愈低分解率亦愈低，NH3氣在570℃時熱分解如下：      

NH₃→〔N〕Fe+2/3H₂

分解出來的N，隨而擴散進入鋼的表面。這種傳統(tǒng)的氣體滲氮工藝對于滲氮層深度的控制十分有限，而且由于通入的是100%氨氣，生成的滲氮層由e+g¢+a相疊加而成（見圖1）。通過多年的工業(yè)實踐，通常氮化表層的e+g¢相（通常極其厚且脆）在熱處理完成之后要被打磨掉，增加了額外的生產(chǎn)成本。

可控氣體滲氮工藝

可控氣體滲氮是在50～60年前推出，與傳統(tǒng)的通入100%氨氣的工藝相比呈現(xiàn)出很多的優(yōu)勢?？煽貧怏w滲氮工藝采用氨氣+裂解氨或氨氣+N₂，氣體通過適當?shù)谋壤M成和調(diào)節(jié)通入反應(yīng)室，可以得到所期望的滲氮層，這里包括e+g¢+a相，g¢+a相或a相，并且在一定區(qū)域可以得到希望的滲氮層厚度；滲氮層的組成由溫度T和氮勢Kn兩個參數(shù)控制。圖2是兩種工藝氣體的工藝圖。由于滲氮層可以控制，可以避免滲氮層的缺陷產(chǎn)生。從而省略熱處理后e+g¢+a相滲氮層進行打磨的工序，降低生產(chǎn)成本。然而，這種采用兩種成分氣體的滲氮工藝和傳統(tǒng)工藝一樣對氣體的消耗量也是相當大的。

此外，這種工藝還存在其他的弊端。由于氨氣NH₃+氮氣N₂的滲氮工藝存在氮化不平衡特性，使它比氨氣+裂解氨的滲氮工藝在滲氮層生成控制精度要差一些。但是，使用氨氣+裂解氨需要安裝氨氣裂解器，也會增加額外成本。

零流量滲氮工藝

零流量滲氮工藝是經(jīng)過多年實踐開創(chuàng)的一個新技術(shù)，所謂的零流量是指在可控滲氮過程中只使用氨氣一種工藝氣體。與氨氣+裂解氨或氨氣+氮氣的工藝相比，零流量更為簡單。通過調(diào)節(jié)進入氮化室氨氣的流量來控制氮化過程中的氮勢Kn,零流量工藝獨特先進性就在于氮化過程中在某一時刻進入氮化室的氨氣流量為零，這一點擴大了氮化室中氣氛成分的分解范圍，也就是增加了氮勢Kn。

零流量簡單控制原理就是通過氣體分析儀設(shè)定的目標來控制氨氣注入閥周期性的開關(guān)來維持氮化室內(nèi)需要的氣體成分，也就是氮勢Kn的設(shè)定值。

零流量這個概念是基于實踐和理論而得出的，通過在試驗室使用石英管氮化試驗設(shè)備和在工廠使用帶有金屬殼體氮化室，并配有循環(huán)風(fēng)機的真空氮化爐中進行試驗。在兩種氮化環(huán)境中分別使用氨氣（零流量），氨氣+裂解氨和氨氣+氮氣三種工藝氣體對樣件進行氮化處理。

通過在這兩種試驗設(shè)備中進行試驗得出的數(shù)據(jù)表明滲氮層的生長速度只取決于滲氮室中的氣體成分或氮勢Kn，它即與注入氮化室中的工藝氣體（氨氣、氨氣+裂解氨或氨氣+氮氣）無關(guān)，也和氮化環(huán)境無關(guān)。這個實驗也證明在真空氮化爐中進行零流量滲氮過程中，周期性的切斷氨氣的注入，對滲氮層的生長不會產(chǎn)生影響。