影響滲氮質(zhì)量的工藝參數(shù)

胡 蓉

（廣西機(jī)械高級技工學(xué)校，廣西 柳州545005）

滲氮又稱氮化，是使氮原子滲入鋼鐵工件表層內(nèi)的化學(xué)熱處理工藝，其目的是提高零件表面硬度和耐磨性，以及提高疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性。它是利用氨氣在加熱時分解出活性氮原子，被零件吸收后在其表面形成氮化層，同時向心部擴(kuò)散。氮化通常利用專門設(shè)備或井式滲氮爐來進(jìn)行。目前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(kuò)大。經(jīng)過滲氮處理的制品具有優(yōu)異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性、耐高溫性、抗咬合性、降低缺口敏感性，還具有抗大氣和過熱蒸汽腐蝕能力、抗回火軟化能力，而且與滲碳工藝相比，滲氮溫度比較低，工件變形小，因此滲氮處理已成為重要的化學(xué)熱處理工藝之一，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金和礦山等行業(yè)的齒輪、凸輪、工具、冷作模具、熱作模具等零件和產(chǎn)品的表面處理。

為了控制滲氮層的質(zhì)量，必須了解各種因素對滲氮過程的影響，如滲氮鋼的化學(xué)成分、金相組織、滲氮工藝參數(shù)。在鋼材預(yù)先熱處理已經(jīng)確定的情況下，滲氮質(zhì)量與工藝參數(shù)有關(guān)。因此，要保證滲氮工件的質(zhì)量（尤其是表面質(zhì)量），必須嚴(yán)格控制滲氮過程中的工藝參數(shù)。

1 滲氮溫度

滲氮溫度高低直接影響工件滲氮后的硬度高低、滲氮層的厚度及工件的變形。

當(dāng)滲氮溫度低時，氮原子擴(kuò)散能力弱，滲氮層厚度也淺，表面氮濃度和表面硬度高，脆性大。當(dāng)滲氮溫度高時，滲氮速度顯著加快，滲氮層厚度加厚，晶界上高濃度的氮化物相也愈明顯粗大，由于高溫，使合金氮化物擴(kuò)散度減小[1]，引起滲氮層硬度下降[1]；若溫度超過595℃時，氮化物強(qiáng)烈的聚集長大，表面硬度顯著下降。這時再用較低的溫度（500～510℃）進(jìn)行滲氮，工件表面氮濃度雖然提高，但硬度仍不提高。這是因?yàn)樵诘谝淮螡B氮時，合金元素已形成了粗大的氮化物相，造成了基體中合金元素貧化所致。

2 滲氮時間

滲氮層厚度在0.5 mm以內(nèi)時應(yīng)用510～530℃等溫滲氮，可認(rèn)為每小時滲入0.01mm，見表1.

表1 滲氮時間與滲氮層厚度關(guān)系

滲氮時間的延長，工件表面的氮濃度增高，氮原子滲入速度減慢，因?yàn)闈B氮層增加到一定程度，滲入速度就變得愈來愈慢，但滲氮時間的延長對滲氮層脆性無明顯影響[2]。一般滲氮時間不超過100 h，因?yàn)樵僭黾訉ζ錆B氮層厚度影響不顯著。

3 氮的分解率

在滲氮過程中氨的分解率會受到流量和溫度的影響。當(dāng)增加流量時，分解率減少；反之，流量減少，分解率增加。當(dāng)溫度上升時，分解率增加；溫度下降，分解率減小。如進(jìn)氣壓力為125 Pa時，滲氮溫度480℃，氮分解率為26%；520℃則為46%；560℃為57%，600℃為66%.在一定范圍內(nèi)，提高分解率可以增加硬度，但導(dǎo)致脆性增大[3]。若過大地提高分解率（>80%），會導(dǎo)致滲氮層內(nèi)氮濃度的降低，硬度下降，滲氮層厚度減小，即在某一個滲氮溫度下，氨分解率有一個較為合適的范圍?，F(xiàn)將溫度與氨分解率的關(guān)系列于表2中。

表2 滲氮溫度與氨分解率

在生產(chǎn)中應(yīng)控制氨的分解率。滲氮開始階段8～10 h，氨分解率應(yīng)低一些（如500～520℃為18%～25%）.如果分解率過高，會使?jié)B氮層硬度顯著降低。在后階段氨分解率可提高到50%～80%，雖然對滲氮層厚度沒有顯著影響，但是卻降低滲氮層的脆性與抗蝕性，這對減低滲氮層的脆性是十分有利的。

4 滲氮后工件的變形

工件在滲氮后，由于其表面滲入大量的氮原子，使工件滲氮表面脹大，其脹大程度主要決定于滲氮溫度、滲氮時間與氨的分解率。此外，工件滲氮后的變形還與機(jī)械加工內(nèi)應(yīng)力、滲氮部位、工件的幾何形狀以及裝爐方式等因素有關(guān)。

由于滲氮溫度較低，滲氮溫度、時間及氨的分解率等工藝參數(shù)的控制比較嚴(yán)格，加熱與冷卻十分緩慢，以及在滲氮過程中工件內(nèi)部的組織和性能不起變化，故滲氮工件的變形比一般熱處理工件的變形要小，規(guī)律性也比較明顯。但是，對于滲氮后變形較大的工件，由于表面硬度高，脆性也比較大，校直有困難。因此，只能掌握其變形規(guī)律選擇合理的工藝參數(shù)來進(jìn)一步改善。

影響滲氮工件變形的原因較多。

（1）滲氮層

工件滲氮表面脹大，主要決定于滲氮層的厚度和氮濃度。滲氮層愈厚和氮濃度愈高，脹大量愈大；反之則愈小。滲氮層厚度和氮濃度又決定于下列因素：

1）滲氮溫度和滲氮時間。滲氮溫度對工件變形的影響很大，在滲氮層厚度相同的條件下，滲氮溫度愈高，則工件的剛性愈差，因此工件也容易變形。

當(dāng)滲氮溫度一定時，滲氮時間愈長，滲入工件表面的氮原子愈多，則滲氮層愈厚，因而工件的變形愈大。

在相同的滲氮時間內(nèi)，滲氮溫度愈高，氨的分解率愈大，活性氮原子愈多，并且也愈容易向工件內(nèi)部擴(kuò)散，因而工件滲氮層愈厚，變形也愈大。

2）滲氮設(shè)備。不同的滲氮設(shè)備，由于溫度和氨氣流動的均勻性、工藝參數(shù)控制的準(zhǔn)確性可能不同，因此工件滲氮層的厚度和氮的濃度不同[3]，零件的變形情況也不同。

3）化學(xué)成分。工件的化學(xué)成分不同，滲氮時吸收氮原子的能力不同，因而滲氮層厚度和氮濃度也各有差異，使工件產(chǎn)生的變形也不同。如鋼中的鋁，吸收氮原子的能力在一定范圍內(nèi)是隨著其含量的增大而增大，因此鋁含量高時，會使工件變形加大。

（2）機(jī)加工內(nèi)應(yīng)力

工件滲氮前的機(jī)加工會使其產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力。如果這種內(nèi)應(yīng)力沒有很好地除去，則滲氮后，對工件變形影響較大。因此，對變形要求嚴(yán)格的工件，在滲氮前必須進(jìn)行去應(yīng)力退火及時效處理，充分地消除機(jī)加工的內(nèi)應(yīng)力[2]。

（3）工件滲氮部位

一些局部滲氮的工件，滲氮后在同一工件上，有的部位體積不變，有的部位體積脹大量也各不相同，結(jié)果，就使工件產(chǎn)生不規(guī)則的變形。

（4）工件幾何形狀

在實(shí)際生產(chǎn)中，工件的幾何形狀不同，其滲氮變形的情況也不一樣。滲氮時，開有鍵槽的一面會凸起變形。這主要是由于此處表面的應(yīng)力值比無鍵槽的部位高，造成應(yīng)力不平衡的緣故；此外，零件截面不均勻也容易引起滲氮件表層應(yīng)力分布不均勻而造成滲氮后變形。因此，為避免零件在熱處理時產(chǎn)生變形，導(dǎo)致零件報廢，應(yīng)合理考慮零件的幾何形狀。

（5）工件的裝箱與裝爐方式

工件在進(jìn)行較長時間滲氮時，往往會因自身的重量產(chǎn)生彎曲等變形。因此工件在氮化裝箱或裝爐時必須注意。軸類零件應(yīng)垂直掛放，有的還需要有支承來頂住。

5 結(jié)束語

為了使工件經(jīng)過滲氮熱處理后，獲得高硬度和好的耐磨性，在滲氮熱處理過程中，要求根據(jù)工件的具體情況，制定合理的工藝參數(shù)，并且采取相應(yīng)的措施，保證滲氮工件的質(zhì)量。

[1]彭其鳳，丁洪太 .熱處理工藝及設(shè)計(jì)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1993.

[2]崔虹雯.機(jī)械制造基礎(chǔ)[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，2009.

[3]崔忠圻，覃耀春.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.