渗氮工艺的发展趋势

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：渗剂为NH3，渗氮温度为500～600℃，渗氮速度快，渗氮层质量好。例如，碳的质量分数为0.24%的NiCrMoAl钢应用压力渗氮时，540℃×4h可得到深度为0.22mm、硬度达1040HV的渗氮层。采用离子渗氮工艺，在渗氮层较薄时，离子渗氮的渗氮速度快、工艺周期短、工艺过程易于控制。对此，可采用真空高压快速深层离子渗氮工艺。

1.表面纳米化渗氮

表面纳米化渗氮是我国科学家卢科等人发明的一种渗氮技术。表面纳米化渗氮是在渗氮前，预先对欲渗氮工件表面进行超声波喷丸处理的渗氮工艺。由于钢丸无定向地不断打击工件表面，故使表层金属在不同方向上反复发生塑性变形，造成晶粒碎化，获得尺寸为纳米级的晶粒组织，并产生大量晶界。在随后的渗氮中，由于氮原子沿晶界扩散速度很快，从而显著提高了渗氮速度。纳米化渗氮还使渗氮层硬度明显提高，渗氮温度降低，有利于减小渗氮引起的畸变。表面纳米化渗氮的发明，开拓了一个重要的渗氮发展方向。

2.真空脉冲渗氮

真空脉冲渗氮是将渗氮炉抽至一定真空度，对零件整体加热，脉冲式送入氨气，在低真空脉冲渗氮状态下进行的渗氮工艺，如图5-35所示。真空脉冲渗氮对带有细长孔、不通孔的工件或深窄的槽内侧需渗氮的工件，可获得均匀性很好的渗氮层。

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图5-35　真空脉冲渗氮工艺曲线

真空渗氮后的硬度在600～1500HV，渗氮层深度20～60μm，渗氮层的硬度分布曲线比较平稳，不易产生剥落和热疲劳。通过对送气量和成分的控制，可得到只有过渡层的渗氮层，使韧性显著提高。与普通气体渗氮相比，真空渗氮具有渗速快、生产效率高的优点，耗气量只有普通渗氮的1/5，并采用真空排气燃烧废气，无公害产生。

3.压力渗氮

压力渗氮即加压渗氮或增压渗氮，是将通氨的工作压力提高到300～5000kPa，此时氨分解率降低，气氛活度与界面反应速度提高，零件表面氮原子的吸附量增加，渗氮速度加快。渗剂为NH3，渗氮温度为500～600℃，渗氮速度快，渗氮层质量好。对具有复杂形状的合金钢零件显示出良好效果，对于狭缝、小直径深孔与盲孔(直径<0.40mm)都能获得满意的渗氮效果。对于钛合金的渗氮可将温度降低到600℃。

此法适用于钢管或套筒内表面渗氮。根据需渗氮部位面积的大小，将一定量的液氨(0.5g/dm3)装入用焊料塞密封的小容器内，再将小容器放入需渗氮的钢管或套筒中，两端焊接密封。加热时，小容器的焊料塞熔化，液氨挥发，充满钢管内，产生2940～3920kPa的压力。用此法可在最初几小时内得到比普通渗氮更快的渗氮速度，并能节约大量氨气。例如，碳的质量分数为0.24%的NiCrMoAl钢应用压力渗氮时，540℃×4h可得到深度为0.22mm、硬度达1040HV的渗氮层。

4.真空高压快速离子渗氮

对于深层(≥0.7mm)渗氮，若采用常规气体渗氮方法，其工艺周期长达80～100h。采用离子渗氮工艺，在渗氮层较薄时，离子渗氮的渗氮速度快、工艺周期短、工艺过程易于控制。但是，当渗氮层深达到一定深度后，氮原子通过渗氮层向内层的扩散速度大为减慢，深层离子渗氮的应用受到了限制。对此，可采用真空高压快速深层离子渗氮工艺。

真空高压渗氮具有渗氮速度快、硬度高的特点。渗氮零件渗氮层均匀，小孔、深孔和盲孔均可得到均匀的渗氮层，渗氮层深度和硬度与外表面相差无几，并且升、降温时间大大减少，同时保温期间的平均渗氮速度提高，渗氮层硬度高。以38CrMoAl钢和40Cr钢为例，保温期间的平均渗氮速度分别可达0.03～0.04mm/h和0.06～0.08mm/h，渗氮层硬度分别可达1000HV和600HV。

25Cr2MoVA钢制石油钻机齿轮快速深层离子渗氮工艺：齿轮经调质处理后进行制齿加工，精加工后经汽油清洗并装入LD-150A离子渗氮炉；装炉后抽至67Pa真空度，向炉内通入少量氨气，并通电对工件进行离子轰击，进一步清洁工件表面；在闪弧结束后，适当提高炉内氨供给量和加热电流，使工件升温。在保温阶段的工艺参数为：渗氮温度为520℃，电流为35A，电压为650V。结果表明，在深层渗氮条件下，快速深层离子渗氮的渗氮速度为常规离子渗氮速度的1倍以上。

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