金属热处理:渗氮

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    使氮原子渗入钢铁工件表层内的化学热处理工艺。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中﹐通以流动的氨气并加热﹐保温较长时间后﹐氨气热分解產生活性氮原子﹐不断吸附到工件表面﹐并扩散渗入工件表层内﹐从而改变表层的化学成分和组织﹐获得优良的表面性能。如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散﹐则称为氮碳共渗。钢铁渗氮的研究始於20世纪初﹐20年代以后获得工业应用。最初的气体渗氮﹐仅限於含铬﹑铝的钢﹐后来才扩大到其他钢种。从70年代开始﹐渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善﹐适用的材料和工件也日益扩大﹐成为重要的化学热处理工艺之一。   
    渗入钢中的氮一方面由表及裡与铁形成不同含氮量的氮化铁﹐一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物﹐特别是氮化铝﹑氮化铬。这些氮化物具有很高的硬度﹑热稳定性和很高的弥散度﹐因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度﹑耐磨性﹑疲劳强度﹑抗咬合性﹑抗大气和过热蒸汽腐蚀能力﹑抗回火软化能力﹐并降低缺口敏感性。与渗碳工艺相比﹐渗氮温度比较低﹐因而畸变小﹐但由於心部硬度较低﹐渗层也较浅﹐一般只能满足承受轻﹑中等载荷的耐磨﹑耐疲劳要求﹐或有一定耐热﹑耐腐蚀要求的机器零件﹐以及各种切削刀具﹑冷作和热作模具等。渗氮有多种方法﹐常用的是气体渗氮和离子渗氮。   
    气体渗氮一般以提高金属的耐磨性为主要目的﹐因此需要获得高的表面硬度。它适用於38CrMnAc等渗氮钢。渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。渗氮温度低﹐工件畸变小﹐可用於精度要求高﹑又有耐磨要求的零件﹐如鏜床鏜杆和主轴﹑磨床主轴﹑气缸套筒等。但由於渗氮层较薄﹐不适於承受重载的耐磨零件。   
    气体参氮可採用一般渗氮法(即等温渗氮)或多段(二段﹑三段)渗氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。温度一般在480～520℃之间﹐氨气分解率为15～30％﹐保温时间近80小时。这种工艺适用於渗层浅﹑畸变要求严﹑硬度要求高的零件﹐但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别採用不同温度﹑不同氨分解率﹑不同时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近50小时﹐能获得较深的渗层﹐但这样渗氮温度较高﹐畸变较大。   
    还有以抗蚀为目的的气体渗氮﹐渗氮温度在 550～700℃之间﹐保温0.5～3小时﹐氨分解率为35～70％﹐工件表层可获得化学稳定性高的化合物层﹐防止工件受湿空气﹑过热蒸汽﹑气体燃烧產物等的腐蚀。   
    正常的气体渗氮工件﹐表面呈银灰色。有时﹐由於氧化也可能呈蓝色或黄色﹐但一般不影响使用。   
    离子渗氮又称辉光渗氮﹐是利用辉光放电原理进行的。把金属工件作为阴极放入通有含氮介质的负压容器中﹐通电后介质中的氮氢原子被电离﹐在阴阳极之间形成等离子区。在等离子区强电场作用下﹐氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击。离子的高动能转变为热能﹐加热工件表面至所需温度。由於离子的轰击﹐工件表面產生原子溅射﹐因而得到净化﹐同时由於吸附和扩散作用﹐氮遂渗入工件表面。   
    与一般的气体渗氮相比﹐离子渗氮的特点是﹕①可适当缩短渗氮週期﹔②渗氮层脆性小﹔③可节约能源和氨的消耗量﹔④对不需要渗氮的部分可屏蔽起来﹐实现局部渗氮﹔⑤离子轰击有净化表面作用﹐能去除工件表面钝化膜﹐可使不锈钢﹑耐热钢工件直接渗氮。⑥渗层厚度和组织可以控制。离子渗氮发展迅速﹐已用於机床丝杆﹑齿轮﹑模具等工件。   
    氮碳共渗又称软氮化或低温碳氮共渗﹐即在铁-氮共析转变温度以下﹐使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳。碳渗入后形成的微细碳化物能促进氮的扩散﹐加快高氮化合物的形成。这些高氮化合物反过来又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。此外﹐碳在氮化物中还能降低脆性。氮碳共渗后得到的化合物层韧性好﹐硬度高﹐耐磨﹐耐蚀﹐抗咬合。   
    常用的氮碳共渗方法有液体法和气体法。处理温度530～570℃﹐保温时间1～3小时。早期的液体盐浴用氰盐﹐以后又出现多种盐浴配方。常用的有两种﹕中性盐通氨气和以尿素加碳酸盐为主的盐﹐但这些反应產物仍有毒。气体介质主要有﹕吸热式或放热式气体(见可控气氛)加氨气﹔尿素热分解气﹔滴注含碳﹑氮的有机溶剂﹐如甲醯胺﹑三乙醇胺等。   
    氮碳共渗不仅能提高工件的疲劳寿命﹑耐磨性﹑抗腐蚀和抗咬合能力﹐而且使用设备简单﹐投资少﹐易操作﹐时间短和工件畸变小﹐有时还能给工件以美观的外表。