渗氮处理及工艺，总结的真到位!
2015/5/17 20:29:45 点击：
渗氮又称氮化，指使氮原子渗入钢铁工件表层内的化学热处理工艺，其目的是提高零件表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被零件吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散。氮化通常利用专门设备或井式渗氮炉来进行。气体渗氮在1923年左右，由德国人Ｆｒｙ首度研究发展并加以工业化，目前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。由于经渗氮处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、耐高温性、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，因而工件畸变小，已成为重要的化学热处理工艺之一，广泛应用于机械、冶金和矿山等行业的齿轮、凸轮、曲轴、工具、冷作模具、热作模具等零件和产品的表面处理。
一、氮化常用材料
传统的合金钢材料中的铝、铬、钒及钼元素在渗氮过程中，与初生态的氮原子接触时，就能生成安定的氮化物，尤其是钼元素，不仅是生成氮化物元素，还能降低在渗氮时所产生的脆性。其他合金钢中的元素，如镍、铜、硅、锰等，对渗氮特性并无多大的帮助。一般而言，如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素，氮化后的效果比较良好。其中铝是最强的氮化物元素，含有0.85～1.5%铝的渗氮结果最佳，如果有足够的铬含量，亦可得到很好的效果，没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适合作为渗氮钢。
二、渗氮过程控制
1.渗氮前的零件表面清洗
通常使用气体去油法去油后立刻渗氮。
2.排除渗氮炉中的空气
将被处理零件置于渗氮炉中，并将炉盖密封后即可加热，但加热至150℃以前须作排除炉内空气工作。排除炉内空气的主要目的是使参与渗氮处理的气体，只有氨气和氮气两种气体，防止氨气分解时与空气接触而发生爆炸性气体，及防止被处理零件及支架的表面氧化。
3.氨的分解率
渗氮是其它合金元素与初生态的氮接触而进行（初生态氮的产生，由氨气与加热中的零件接触时零件本身成为触媒而促进氨的分解），虽然在各种分解率的氨气下，皆可渗氮，但一般都采用15～30%的分解率，并按渗氮所需厚度保持4～10小时，处理温度保持在520℃左右。
4.冷却
大部份的工业用渗氮炉都有热交换机，在渗氮工作完成后冷却加热炉及被处理零件。即渗氮完成后，将加热电源关闭，使炉温降低约50℃，然后将氨的流量增加一倍后开启热交换机，此时须注意确认炉内压力为正压。等候导入炉中的氨气安定后，即可减少氨的流量至保持炉内正压为止，当炉温下降至150℃以下时，方可启开炉盖。
三、渗氮工艺路线
锻造退（正）火粗加工（调质处理）精加工磨或研磨渗氮
备注：由于渗氮层较薄，在要求有较高强度的心部组织时，需先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量
四、常用渗氮方式
1.气体渗氮
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。渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。气体参氮可采用一般渗氮法（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。这种工艺适用于渗层浅、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采用不同温度、不同氨分解率、不同保温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、气体燃烧产物等的腐蚀。
2.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。由于离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件表面。
离子渗氮最重要的特点之一是可以通过控制渗氮气氛的组成、气压、电参数、温度等因素来控制表面化合物层（俗称白亮层）的结构和扩散层组织，从而满足零件的服役条件和对性能的要求。
3.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。
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，但这些反应产物仍有毒。气体介质主要有：吸热式或放热式气体加氨气，尿素热分解气，滴注含碳、氮的有机溶剂，如甲酰胺、三乙醇胺等。
五、常见渗氮缺陷及其原因
1.硬度偏低
生产实践中，工件渗氮后其表面硬度有时达不到工艺规定的要求，轻者可以返工，重者则造成报废。
造成硬度偏低的原因通常有：
设备方面：如系统漏气造成氧化。
材料方面：如材料选择不合理。
前期热处理：如基体硬度太低，表面脱碳严重等。
工件预处理不彻底：如进炉前的清洁方式及清洁度。
工艺方面：如渗氮温度过高或过低，时间短或氮浓度不足等等。
2.硬度和渗层不均匀
主要原因有：
装炉方式不合理。
气压调节不当。
渗氮处理期间温度不均匀。
炉内气流不合理。
3.渗氮后零件变形过大
变形是难以避免的，对易变形件，采取以下措施，有利于减小变形：
渗氮前应进行稳定化处理。
渗氮过程中的升、降温速度应缓慢。
保温阶段尽量使工件各处的温度均匀一致，对变形要求严格的工件，在工艺范围内，尽可能采用较低的氮化温度。
4.外观颜色有差别
不同材质的零件经渗氮处理后表面颜色是略有区别的，零件出炉后首先用肉眼检查外观质量，钢件经渗氮处理后表面通常呈银灰（蓝黑色）色或暗灰色（蓝黑色），钛及钛合金件表面应呈金黄色。
5.脉状氮化物
氮化（特别是离子氮化）易出现脉状氮化物，即扩散层与表面平行走向呈白色波纹状的氮化物。其形成机理尚无定论，一般认为与合金元素在晶界偏聚及氮原子的扩散有关。因此，控制合金元素偏聚的措施均有利于减轻脉状氮化物的形成。工艺参数方面，渗氮温度越高，保温时间越长，越易促进脉状组织的形成，如工件的棱角处，因渗氮温度相对较高，脉状组织比其它部位严重得多。
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一、氮化常用材料
传统的合金钢材料中的铝、铬、钒及钼元素在渗氮过程中，与初生态的氮原子接触时，就能生成安定的氮化物，尤其是钼元素，不仅是生成氮化物元素，还能降低在渗氮时所产生的脆性。其他合金钢中的元素，如镍、铜、硅、锰等，对渗氮特性并无多大的帮助。一般而言，如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素，氮化后的效果比较良好。其中铝是最强的氮化物元素，含有0.85～1.5%铝的渗氮结果最佳，如果有足够的铬含量，亦可得到很好的效果，没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适合作为渗氮钢。
二、渗氮过程控制
1.渗氮前的零件表面清洗
通常使用气体去油法去油后立刻渗氮。
2.排除渗氮炉中的空气
将被处理零件置于渗氮炉中，并将炉盖密封后即可加热，但加热至150℃以前须作排除炉内空气工作。排除炉内空气的主要目的是使参与渗氮处理的气体，只有氨气和氮气两种气体，防止氨气分解时与空气接触而发生爆炸性气体，及防止被处理零件及支架的表面氧化。
3.氨的分解率
渗氮是其它合金元素与初生态的氮接触而进行（初生态氮的产生，由氨气与加热中的零件接触时零件本身成为触媒而促进氨的分解），虽然在各种分解率的氨气下，皆可渗氮，但一般都采用15～30%的分解率，并按渗氮所需厚度保持4～10小时，处理温度保持在520℃左右。
4.冷却
大部份的工业用渗氮炉都有热交换机，在渗氮工作完成后冷却加热炉及被处理零件。即渗氮完成后，将加热电源关闭，使炉温降低约50℃，然后将氨的流量增加一倍后开启热交换机，此时须注意确认炉内压力为正压。等候导入炉中的氨气安定后，即可减少氨的流量至保持炉内正压为止，当炉温下降至150℃以下时，方可启开炉盖。
三、渗氮工艺路线
锻造退（正）火粗加工（调质处理）精加工磨或研磨渗氮
备注：由于渗氮层较薄，在要求有较高强度的心部组织时，需先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量
四、常用渗氮方式
1.气体渗氮
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。渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。气体参氮可采用一般渗氮法（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。这种工艺适用于渗层浅、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采用不同温度、不同氨分解率、不同保温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、气体燃烧产物等的腐蚀。
2.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。由于离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件表面。
离子渗氮最重要的特点之一是可以通过控制渗氮气氛的组成、气压、电参数、温度等因素来控制表面化合物层（俗称白亮层）的结构和扩散层组织，从而满足零件的服役条件和对性能的要求。
3.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。
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，但这些反应产物仍有毒。气体介质主要有：吸热式或放热式气体加氨气，尿素热分解气，滴注含碳、氮的有机溶剂，如甲酰胺、三乙醇胺等。
五、常见渗氮缺陷及其原因
1.硬度偏低
生产实践中，工件渗氮后其表面硬度有时达不到工艺规定的要求，轻者可以返工，重者则造成报废。
造成硬度偏低的原因通常有：
设备方面：如系统漏气造成氧化。
材料方面：如材料选择不合理。
前期热处理：如基体硬度太低，表面脱碳严重等。
工件预处理不彻底：如进炉前的清洁方式及清洁度。
工艺方面：如渗氮温度过高或过低，时间短或氮浓度不足等等。
2.硬度和渗层不均匀
主要原因有：
装炉方式不合理。
气压调节不当。
渗氮处理期间温度不均匀。
炉内气流不合理。
3.渗氮后零件变形过大
变形是难以避免的，对易变形件，采取以下措施，有利于减小变形：
渗氮前应进行稳定化处理。
渗氮过程中的升、降温速度应缓慢。
保温阶段尽量使工件各处的温度均匀一致，对变形要求严格的工件，在工艺范围内，尽可能采用较低的氮化温度。
4.外观颜色有差别
不同材质的零件经渗氮处理后表面颜色是略有区别的，零件出炉后首先用肉眼检查外观质量，钢件经渗氮处理后表面通常呈银灰（蓝黑色）色或暗灰色（蓝黑色），钛及钛合金件表面应呈金黄色。
5.脉状氮化物
氮化（特别是离子氮化）易出现脉状氮化物，即扩散层与表面平行走向呈白色波纹状的氮化物。其形成机理尚无定论，一般认为与合金元素在晶界偏聚及氮原子的扩散有关。因此，控制合金元素偏聚的措施均有利于减轻脉状氮化物的形成。工艺参数方面，渗氮温度越高，保温时间越长，越易促进脉状组织的形成，如工件的棱角处，因渗氮温度相对较高，脉状组织比其它部位严重得多。
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