滲碳氮化工藝詳解，滲氮操作規(guī)程常見問題與解決技巧
滲氮，是在一定溫度下一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。常見有液體滲氮、氣體滲氮、離子滲氮。傳統(tǒng)的氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動的氨氣并加熱，保溫較長時間后，氨氣熱分解產(chǎn)生活性氮原子，不斷吸附到工件表面，并擴散滲入工件表層內(nèi)，從而改變表層的化學(xué)成分和組織，獲得優(yōu)良的表面性能。如果在滲氮過程中同時滲入碳以促進氮的擴散，則稱為氮碳共滲。常用的是氣體滲氮和離子滲氮。
原理應(yīng)用
滲入鋼中的氮一方面由表及里與鐵形成不同含氮量的氮化鐵，一方面與鋼中的合金元素結(jié)合形成各種合金氮化物，特別是氮化鋁、氮化鉻。這些氮化物具有很高的硬度、熱穩(wěn)定性和很高的彌散度，因而可使?jié)B氮后的鋼件得到高的表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗咬合性、抗大氣和過熱蒸汽腐蝕能力、抗回火軟化能力，并降低缺口敏感性。與滲碳工藝相比，滲氮溫度比較低，因而畸變小，但由于心部硬度較低，滲層也較淺，一般只能滿足承受輕、中等載荷的耐磨、耐疲勞要求，或有一定耐熱、耐腐蝕要求的機器零件，以及各種切削刀具、冷作和熱作模具等。滲氮有多種方法，常用的是氣體滲氮和離子滲氮。
鋼鐵滲氮的研究始于20世紀初，20年代以后獲得工業(yè)應(yīng)用。最初的氣體滲氮，僅限于含鉻、鋁的鋼，后來才擴大到其他鋼種。從70年代開始，滲氮從理論到工藝都得到迅速發(fā)展并日趨完善，適用的材料和工件也日益擴大，成為重要的化學(xué)熱處理工藝之一。
一般以提高金屬的耐磨性為主要目的，因此需要獲得高的表面硬度。它適用于38CrMoAl等滲氮鋼。滲氮后工件表面硬度可達HV850～1200。滲氮溫度低，工件畸變小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如鏜床鏜桿和主軸、磨床主軸、氣缸套筒等。但由于滲氮層較薄，不適于承受重載的耐磨零件。
氣體滲氮可采用一般滲氮法(即等溫滲氮)或多段(二段、三段)滲氮法。前者是在整個滲氮過程中滲氮溫度和氨氣分解率保持不變。溫度一般在480～520℃之間,氨氣分解率為15～30%,保溫時間近80小時。這種工藝適用于滲層淺、畸變要求嚴、硬度要求高的零件，但處理時間過長。多段滲氮是在整個滲氮過程中按不同階段分別采用不同溫度、不同氨分解率、不同時間進行滲氮和擴散。整個滲氮時間可以縮短到近50小時，能獲得較深的滲層，但這樣滲氮溫度較高，畸變較大。
還有以抗蝕為目的的氣體滲氮，滲氮溫度在 550～700℃之間,保溫0.5～3小時，氨分解率為35～70%，工件表層可獲得化學(xué)穩(wěn)定性高的化合物層，防止工件受濕空氣、過熱蒸汽、氣體燃燒產(chǎn)物等的腐蝕。
正常的氣體滲氮工件，表面呈銀灰色。有時，由于氧化也可能呈藍色或黃色，但一般不影響使用。
滲氮工藝 常用的氣體滲氮工藝有等溫滲氮、二段式滲氮和三
段式滲氮三種方法。
a.等溫滲氮 也稱一段式滲氮法。它是在恒溫下進行長時間保溫的滲氮工藝，滲氮溫度510~530℃，其滲氮工藝曲線如圖2-42所示。
第一階段保溫15~20h，為吸氮階段。這一階段采用較低的氨分解率(18%25%)。零件表面因洗后大量氮原子而與零件心部形成氮濃度差。第二階段為擴散階段。在這個階段為家少活性氮原子的數(shù)量而將氨分解率提高到30%~40%，保溫時間在60h左右。
為減少滲氮層的脆性，在滲氮結(jié)束前2~4h進行退氮處理，氨分解率提高到70%以上，退氮溫度提高到560~570℃。
等溫滲氮工藝過程簡單，滲氮溫度較低、滲層淺、零件變形小、表面硬度高，但滲氮速度慢，產(chǎn)生周期長，適用于滲氮深度淺，尺寸精度和硬度要求高的零件。
b.兩段式滲氮 兩段式滲氮工藝曲線如圖2-43所示。第一階段的工藝參數(shù)(除保溫時間外)與等溫滲氮相同。第二階段把滲氮溫度提高到550~560℃，以加速氮原子的擴散，縮短滲氮周期，氨分解率提高到40%~60%。根據(jù)對滲氮層的脆性要求，急速前也應(yīng)提前2h提高氨分解率和溫度進行退氮處理。
兩段式滲氮的時間比等溫滲氮短，表面硬度稍微低，變形略有增大，適用于滲氮層較深批量較大的零件。
c.三段式滲氮 三段式滲氮工藝曲線如圖2-44所示。
它是在二段式滲氮基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這種工藝是將第二階段的溫度適當(dāng)提高，以加快滲氮過程，同時增加較低溫度的第三階段，以彌補因第二階段氮的擴散快而使表面氮濃度過低，保證表面含氮量以提高表面硬度。
三段式滲氮能進一步提高滲氮速度，但硬度比一般滲氮工藝低，脆性、變形等比一般滲氮工藝略大。
又稱輝光滲氮，是利用輝光放電原理進行的。把金屬工件作為陰極放入通有含氮介質(zhì)的負壓容器中，通電后介質(zhì)中的氮氫原子被電離，在陰陽極之間形成等離子區(qū)。在等離子區(qū)強電場作用下，氮和氫的正離子以高速向工件表面轟擊。離子的高動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱工件表面至所需溫度。由于離子的轟擊，工件表面產(chǎn)生原子濺射，因而得到凈化，同時由于吸附和擴散作用，氮遂滲入工件表面。
與一般的氣體滲氮相比，離子滲氮的特點是：①可適當(dāng)縮短滲氮周期;②滲氮層脆性小;③可節(jié)約能源和氨的消耗量;④對不需要滲氮的部分可屏蔽起來，實現(xiàn)局部滲氮;⑤離子轟擊有凈化表面作用，能去除工件表面鈍化膜，可使不銹鋼、耐熱鋼工件直接滲氮;⑥滲層厚度和組織可以控制。
離子滲氮發(fā)展迅速，已用于機床絲桿、齒輪、模具等工件。
一、優(yōu)點：滲氮時間短，質(zhì)量容易控制，氮化層耐疲勞、有高強度，由于氮化溫度在520-540，所以工件變形小，表面抗磁性高。
二、缺點：設(shè)備控制復(fù)雜，爐溫均勻性不好。
低溫氮碳共滲又稱軟氮化,即在鐵-氮共析轉(zhuǎn)變溫度以下，使工件表面在主要滲入氮的同時也滲入碳。碳滲入后形成的微細碳化物能促進氮的擴散，加快高氮化合物的形成。這些高氮化合物反過來又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促進便加快了滲入速度。此外，碳在氮化物中還能降低脆性。氮碳共滲后得到的化合物層韌性好，硬度高，耐磨，耐蝕，抗咬合。
常用的氮碳共滲方法有液體法和氣體法。處理溫度530～570℃，保溫時間1～3小時。早期的液體鹽浴用氰鹽，以后又出現(xiàn)多種鹽浴配方。常用的有兩種：中性鹽通氨氣和以尿素加碳酸鹽為主的鹽，但這些反應(yīng)產(chǎn)物仍有毒。氣體介質(zhì)主要有：吸熱式或放熱式氣體(見可控氣氛)加氨氣;尿素?zé)岱纸鈿?滴注含碳、氮的有機溶劑，如甲酰胺、三乙醇胺等。
氰化cyaniding，指高溫碳氮共滲(早期的碳氮共滲是在有毒的氰鹽浴中進行)。由于溫度比較高，碳原子擴散能力很強，所以以滲碳為主, 形成含氮的高碳奧氏體，淬火后得到含氮高碳馬氏體。由于氮的滲入促進碳的滲入, 使共滲速度較快，保溫4～6h可得到0.5～0.8mm的滲層，同時由于氮的滲入，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，加上共滲溫度比較低，奧氏體晶粒不會粗大，所以鋼件碳氮共滲后可直接淬油，滲層組織為細針狀的含氮馬氏體加碳氮化合物和少量殘余奧氏體。碳氮共滲層比滲碳層有更高的硬度、耐磨性、抗蝕性、彎曲強度和接觸疲勞強度。但一般碳氮共滲層比滲碳層淺，所以一般用于承受載荷較輕，要求高耐磨性的零件。
氮碳共滲不僅能提高工件的疲勞壽命、耐磨性、抗腐蝕和抗咬合能力，而且使用設(shè)備簡單，投資少，易操作，時間短和工件畸變小，有時還能給工件以美觀的外表。
在滲氮零件的整個制造過程中，滲氮往往是最后一道工序，至多再進行精磨或研磨。滲氮零件的工藝流程一般為：鍛造→正火(退火)→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→去應(yīng)力→粗磨→滲氮→精磨→裝配。
氮化前的預(yù)熱處理包括正火(退火)、調(diào)質(zhì)處理、去應(yīng)力。
a.正火(退火)，其目的是細化晶粒、降低硬度、消除鍛造應(yīng)力。
b.調(diào)質(zhì)處理，可以改善鋼的加工性能，獲得均勻的回火索氏體組織，以保證零件心部有足夠的強度和韌性，同時又能使?jié)B氮層和基本結(jié)合牢固。
c.去應(yīng)力處理，對于形狀復(fù)雜的精密零件，在滲氮前應(yīng)進行1~2次去應(yīng)力，以減少滲氮過程中的變形。
a.去污處理。零件裝爐前要用汽油或酒精進行脫脂、去污處理，零件表面不允許有銹蝕及臟污。
b.防滲處理。對零件非滲氮部分，可用電鍍或涂料法進行防滲氮處理。
c.滲氮件的表面質(zhì)量應(yīng)良好，不允許有脫碳層存在，因此，零件在預(yù)先熱處理前應(yīng)留有足夠的加工余量，以便在滲氮前的機加工能將脫碳層全部去除，以保證滲氮層的質(zhì)量。
d.裝爐前檢查設(shè)備和滲氮夾具、電系統(tǒng)、管道、氨分解測定儀等應(yīng)保證正常使用;滲氮夾具不允許有臟物或氧化皮，如有應(yīng)清除。
e.隨爐試樣。隨爐的試樣應(yīng)與滲氮零件通材料并經(jīng)過同樣的預(yù)先處理。
※氮化表面硬度或深度不夠
(1)可能是鋼料化學(xué)成分不適合作氮化處理
(2)可能是氮化處理前的組織不適合
(3)可能是氮化溫度過高或太低
(4)爐中之溫度或流氣不均勻
(5)氨氣的流量不足
(6)滲氮的時間不夠長
※氮化工件彎曲很厲害
(1)氮化前的弛力退火處理沒有做好
(2)工件幾何曲線設(shè)計不良，例如不對稱、厚薄變化太大等因素
(3)氮化中被處理的工件放置方法不對
(4)被處理工件表面性質(zhì)不均勻，例如清洗不均或表面溫度不均等因素
※氮化工件發(fā)生龜裂剝離現(xiàn)象
(1)氨的分解率超過85%，可能發(fā)生此現(xiàn)象
(2)滲氮處理前工件表面存在脫碳層
(3)工件設(shè)計有明顯的銳角存在
(4)白層太厚時
※氮化工件的白層過厚
(1)滲氮處理的溫度太低
(2)氨的分解率低于15%時，可能發(fā)生此現(xiàn)象
(3)在冷卻過程不恰當(dāng)
※氮化處理時之氨分解率不穩(wěn)定
(1)分解率測定器管路漏氣
(2)滲氮處理時裝入爐內(nèi)的工件太少
(3)爐中壓力變化導(dǎo)致氨氣流量改變
(4)觸媒作用不當(dāng)
※工件需進行機械加工處如何防止?jié)B碳?
(1)鍍銅法，鍍上厚度20mm以上的銅層
(2)涂敷涂敷劑后干燥，可使用水玻璃溶液中懸浮銅粉
(3)涂敷防碳涂敷劑后干燥，主要使用硼砂和有機溶劑為主
(4)氧化鐵和黏土混合物涂敷法
(5)利用套筒或套螺絲
※滲碳后工件硬度不足
(1)冷卻速度不足，可利用噴水冷卻或鹽水冷卻
(2)滲碳不足，可使用強力滲碳劑
(3)淬火溫度不足
(4)淬火時加熱發(fā)生之脫碳現(xiàn)象所導(dǎo)致，可使用鹽浴爐直接淬火
※滲碳層剝離現(xiàn)象
(1)含碳量之濃度坡度太大，應(yīng)施以擴散退火
(2)不存在中間層，應(yīng)緩和滲碳的速率
(3)過滲碳現(xiàn)象，可考慮研磨前次之滲碳層
(4)反復(fù)滲碳亦可能產(chǎn)生滲碳層剝離的現(xiàn)象
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