使氮原子滲入鋼鐵工件表層內的化學熱處理工藝。傳統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﹐從而改變表層的化學成分和組織﹐獲得優良的表面性能。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。鋼鐵滲氮的研究始於20世紀初﹐20年代以后獲得工業應用。最初的氣體滲氮﹐僅限於含鉻﹑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﹐成為重要的化學熱處理工藝之一。
滲入鋼中的氮一方面由表及裡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﹑熱穩定性和很高的彌散度﹐因而可使滲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﹐但由於心部硬度較低﹐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。
氣體滲氮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。它適用於38CrMnAc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﹐可用於精度要求高﹑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。但由於滲氮層較薄﹐不適於承受重載的耐磨零件。
氣體參氮可採用一般滲氮法(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。這種工藝適用於滲層淺﹑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採用不同溫度﹑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穩定性高的化合物層﹐防止工件受濕空氣﹑過熱蒸汽﹑氣體燃燒產物等的腐蝕。
正常的氣體滲氮工件﹐表面呈銀灰色。有時﹐由於氧化也可能呈藍色或黃色﹐但一般不影響使用。
離子滲氮又稱輝光滲氮﹐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的負壓容器中﹐通電后介質中的氮氫原子被電離﹐在陰陽極之間形成等離子區。在等離子區強電場作用下﹐氮和氫的正離子以高速向工件表面轟擊。離子的高動能轉變為熱能﹐加熱工件表面至所需溫度。由於離子的轟擊﹐工件表面產生原子濺射﹐因而得到凈化﹐同時由於吸附和擴散作用﹐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可適當縮短滲氮週期﹔②滲氮層脆性小﹔③可節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。離子滲氮發展迅速﹐已用於機床絲桿﹑齒輪﹑模具等工件。
氮碳共滲又稱軟氮化或低溫碳氮共滲﹐即在鐵-氮共析轉變溫度以下﹐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﹐但這些反應產物仍有毒。氣體介質主要有﹕吸熱式或放熱式氣體(見可控氣氛)加氨氣﹔尿素熱分解氣﹔滴注含碳﹑氮的有機溶劑﹐如甲醯胺﹑三乙醇胺等。
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。 |
