渗氮、渗碳工艺与操作过程.doc

一 渗碳工艺(气体渗碳——煤油)：渗碳钢的碳含量一般在0.12%~0.25%之间，其所含主要合金元素一般是铬、锰、镍、钼、钨、钛等 把炉温升到800℃左右，断开电源打开炉盖，放入装好工件的工装，关闭炉盖升温到930℃左右在升温过程中，打开风扇及煤油阀门，以每分钟160滴的速度滴入炉内，进行排气，同时打开试样孔和排气管并点燃排气火焰排气时间一般为60~80分钟（保证温度到渗碳温度还要排气30分钟左右）； 当火焰为鸡蛋黄颜色时开始强渗了，此时要加大煤油的滴量，按每分钟180~200滴在强渗时就可用放入试棒（含碳量少的材料，尺寸Ф8×100mm），关闭试样孔，炉压保持在6~10格——渗层深炉压取高值渗碳速度一般按0.15~0.2mm/h来计算，如要渗层深度为0.8~1.2mm，则强渗时间为6小时，提前在强渗设定时间结束前半小时，取出试棒，观察渗层深度（试棒渗层深度一般为工件的一半，这边渗层深度靠操作工的肉眼加经验判断），深度够在强渗结束就可以开始扩散，否则增加强渗时间； 扩散期温度不变，减少煤油滴量，按每分钟100滴，一般扩散时间为60~90分钟，作用是均匀工件表层的碳溶度； 扩散期结束开始降温，此时断开加热器，降温到810℃左右，并在此温度保温10~20分钟。

降温期减少煤油滴量，按每分钟60滴保温结束时断开加热器，关闭风扇，打开炉盖，用行车吊起工装，垂直进入温度为50~70℃的油中冷却，冷却时上下左右轻轻摇动工装，一般冷却时间为10~20分钟左右，吊起工装时也要注意工件出油的温度冷却好的工件要在半个小时之内（防止工件开裂）进行低温回火，温度一般在160~190℃（由硬度要求而定），保温时间2小时左右出炉空冷 在渗碳过程中要随时注意火焰形状，正常的火焰是：火焰呈金黄色，无力不熄灭（断续熄灭，说明水气高了），火苗无黑焰和火星，火苗长100~150mm；若火苗出现火星，说明炉内炭黑过度；火苗过长、尖端外缘呈亮白色，说明渗碳剂供量过多；火苗短、外缘呈浅蓝色并有透明，说明渗碳剂供量不足或炉子漏气 渗碳过程：煤油→滴量管→罐内→U型管→排气管；当液滴直径分别为3、3.5及4mm，滴速皆为200滴/分钟，计算结果表明其流量分别为2.82、4.5及6.72毫升/分，相当于1：1.6：2.4一般以每100平方厘米的渗碳面积滴入1.0~1.2cm3/h的渗碳剂为宜 气体渗碳工艺：1，加氨渗碳，在渗碳气体中通入一部分氨气，可以收到良好的效果一方面由于通入氨可以减少碳黑的形成，另一方面由于NH3分解产生的氮可以加快碳原子的吸收和扩散，缩短渗碳时间。

一般是在井式气体渗碳炉的滴管上装一分管，通入2.5~5%的氨即可；2，煤油（或丙醇）+甲醇的分段渗碳，根据渗碳过程中不同阶段及不同渗剂的性能特点，联合使用煤油（或丙醇）+甲醇进行分段渗碳，在渗碳的不同阶段采用不同的渗剂和滴量 由于甲醇裂解温度低，产气量大以及不易形成碳黑，所以在排气阶段的前期（900℃以下），单独滴入甲醇，以尽快排除炉内的空气在炉温高于900℃后，煤油已能充分热解，在正常滴量下也不致形成大量的碳黑，为了更快的恢复炉气活性，改滴煤油，继续排气保温期可以减少煤油滴量（分解吸收平衡及避免形成碳黑），扩散过程总是慢于吸收过程的特点以及为了降低表层碳浓度，再进一步减少煤油滴量到降温期预冷时，只要维持炉内还原气氛即可，因此又停滴煤油，改滴少量甲醇 此工艺渗剂耗量小，生产周期短，而且表面含碳量也比较理想（0.8%~1.1%）和渗层中碳浓度分布也较均匀3，滴注式可控气氛渗碳，是利用有机液体直接滴入炉罐而进行碳势控制的渗碳工艺，它同时向炉内滴入两种不同的有机液体一种产生稀释气体，起到冲淡作用；另一种产生富化气，起渗碳作用 通常选用甲醇（CH3OH）产生稀释气体甲醇在800℃时就能充分分解，为了防止零件氧化，在650℃时就可用向炉内滴注。

作用是渗碳初期排气，渗碳阶段维持炉内正压，并构成恒定的炉气成分一般采用醇（甲醇、乙醇）类或酯（乙酸乙酯、醋酸乙酯）作为渗碳剂国内一些单位用丙酮或煤油作为渗碳剂进行滴控也取得满意的效果 滴注式可控气体渗碳可以获得高质量的渗碳层，表面光洁，碳势可控，又具有井式炉气体渗碳法的经济性和简便性二 渗氮工艺过程（气体渗氮——液氨）：炉罐用1Cr18Ni9Ti等不锈耐热钢做的，这种渗氮罐使用一段时间后，其表面往往会对氨的分解起到催化作用，加大氨的分解率，甚至发展到无法控制因此在使用一段时期后，把渗氮罐加热到800℃以上保温3~4小时或650℃保温6小时进行退氮处理，处理后又可恢复正常使用1），渗氮前的设备准备及检查1，清理氮化管，2，清理管道,2），渗氮工件的准备1，非渗氮面的防护，镀层或涂料，镀层一般是镀锡，涂料是水玻璃和石墨粉的混合物，2，工件表面的清洗，先用棉布擦干净，再用汽油洗，最后用棉布把工件擦干净；3，工夹具的准备，也要干净、无油垢和铁锈，铁丝也要去除表面的镀锡层4，工件的装炉，洗好的工件在2小时内装炉，工件的高度不能超过排气管的高度，试样也要一起放进去5，升温，封炉盖进行升温，有风扇的开风扇并同氨气。

氨气流量控制在0.2~0.3m3/小时或0.4~0.5m3/小时，使进气压力保持在20~40mm油柱然后炉温升到200~250度，保温1~3小时进行排气，用氨气将罐内和管道中的空气排除干净当罐内空气小于5%或氨气分解率为零时，才允许继续升温这时可以降低氨气流量，保持罐内正压，使工件不被氧化即可； 当炉温升到450度左右时，控制升温速度，不要过快，以免造成保温初期的超温同时加大氨气流量，使氨气分解率控制在工艺规定的下限这样到达温度后，氨气分解率就会保持在要求分为内，可以加快渗氮速度在到温前5~10度或到温初期，校正温度渗氮温度以罐内温度为准；6，保温， 渗氮罐内到达温度后，进入保温阶段这时根据工艺规范要求调节氨流量，并保持温度和氨气分解率的正确和稳定保温初期当测得分解率在要求范围内时，记下此时的进气和排气压力，并在整个过程中尽量保持压力不变同时每隔半小时或一小时测量氨气分解率一次； 此外还要经常观察炉温控制系统和风扇运转是否正常，进气及排气压力是否稳定炉内工作情况可以通过流量计、压力计及冒泡瓶反映出来；7，冷却 保温结束停电降温时，必须继续通氨气，保持罐内有一定正压，防止空气进入罐内使工件发生氧化，当罐内温度降到200度以下时，可以停止供氨。

开启炉盖，取出工件和试样进行空冷3），渗氮质量检验 一般包括外观、渗氮层深度、表面硬度、心部硬度、渗氮层脆性、金相组织及变形等1，金相组织氮化层的白层厚度不大于0.025mm，氮化层中不允许有粗大的氮化物，不允许出现自由铁素体，扩散层应为细致均匀的氮化索氏体2，心部组织为均匀细小的的回火索氏体，不允许有多量、大块的自由铁素体；3，渗层脆性，分为五级，一般要求是一级到二级；维氏压痕，多用10公斤力的载荷进行脆性测定；4，变形，最大变形处的磨削量不得超过0.10mm；5，外观， 6，渗层深度 断口法——渗氮层组织较细，呈瓷状断口，心部组织较粗，故可以在带刻度的放大镜下直接测量其深度 金相法——磨试样，在显微镜下观察组织边界；硬度法——因渗氮层较薄，用维氏硬度计或表面洛氏硬度计（HRN）测定其表面硬度，垂直切取下来（注意切取时不要使其受热回火），用砂纸磨光，然后垂直渗氮表面（或成一定角度）测量维氏硬度（载荷9.8N），根据所测得硬度与至表面距离的关系曲线，以硬度大于HV550（相当于HRC50）的层深作为有效渗氮深度4），氮化过程：先是氨气从液氨瓶中出来→经过针形阀和减压阀→U型压力计→流量计→干燥箱→炉盖→罐内→氨气分解率测定计→U型压力计→冒泡瓶→废弃排出； 1，由于液氨蒸发时，需要吸收大量热，因而使液氨瓶出口管路处温度降得很低。

尤其是冬天更易使该出结冰而导致管道堵塞，对此必须采取防止措施 2， 综合考虑温度对渗氮层深度与表面硬度的影响，渗氮温度常在480~560℃范围内选择形状复杂、表面硬度要求较高的工件应选下限渗氮时间根据钢成分、渗氮温度及层深要求而定 3，渗氮零件的工艺流程一般是： 锻造→退火（或正火加高温回火）→粗加工→调质→半精加工→除应力回火→精加工→渗氮→精研（磨）→装配 锻造后进行退火目的是细化晶粒，均匀组织，消除铁素体的方向性和内应力，改善机械加工性； 渗氮前的调质主要是为了获得均匀而致密的索氏体组织，使工件心部具有足够的强度 4，氨分解率的控制，是通过调整氨的流量及炉内压力来实现的氨的流量越大，在炉膛内停留的时间愈短，分解率越低；氨流量愈小，在炉膛内停留的时间愈长，分解率就越高 氨的分解率越低，则气氛中氨的分压就越大，因而其氮势也就越高，工件表层也就易获得较高的氮浓度 5，氨分解率测量： 氨分解率=（氢气体积+氮气体积）/炉气总体积×100%=（容器全部体积-水的体积）/容器全部体积×100% 氨能速溶于水，即水的体积即为氨的含量 在测量时，不需要计算的，在容器上有刻度，水面处的刻度数就是氨分解率。

这里的氨分解率并非真实的氨分解率，但是它基本上反映了氨的分解程度 6， 等温渗氮即一段渗氮，主要用于深度要求较浅，变形要求严，硬度要求高的零件温度510~530℃，硬度可达HV1000~1150，渗氮层浅，变形小，脆性较低；温度低，渗氮速度慢，生产周期长对于某些精密零件，为了减少变形，可采用分段升温，升温到300℃左右保温1~3h，然后再继续升温 退氮处理—在渗氮结束前2~4小时，为了降低渗氮白层的脆性，必须进一步降低氮势，以降低表层的氮浓度，故采用70~80%的氨分解率或停止供氮，这一阶段常称作退氮处理 二段渗氮，加快渗氮速度及获得更深的渗层第一阶段在510~520℃进行渗氮10~20h，并采用较低的氨分解率目的是使零件表面形成颗粒细小，弥散度较高的氮化物然后在550~560℃及较高的氨分解率下进行第二段渗氮，提高温度目的在于加速氮原子的扩散，增加渗氮层深度由于第一阶段形成的氮化物稳定性较高，在第二阶段提高温度时不会显著聚集长大，因此硬度降低不多，且渗氮层中硬度分布比较平缓第一阶段温度是决定渗氮层硬度的主要因素，若温度过低，会使硬度显著下降HV850~1000，总时间比等温渗氮缩短25~50%。

第二阶段较高的保温温度易使表层吸氮较多，增加表层脆性，故生产上从严控制第二阶段温度，不能高于550~560℃；三段渗氮，特点是：适当提高第二阶段的温度，加速渗氮，减少时间；再增加第三段，以获得高浓度的表层，保持高硬度510℃保温为了获得高的渗氮表层硬度；560℃保温增加渗氮层的深度；520℃保温是为了使最外层的氮再达到饱和，以提高硬度，同时增加渗氮层深度硬度＞HV1000，渗氮时间上是三段最短，但在硬度、脆性、变形等方面都不如等温渗氮 7，不锈钢的渗氮， 不锈钢采用较高的渗氮温度和较长的渗氮时间，但所获渗氮层深度仍然很浅，原因是不锈钢中大量的铬、镍、钨、钼等元素会阻碍氮原子扩散；在工件表面形成一层极薄而且致密的钝化膜，这层膜在氮化时不易破坏，因而阻止氮原子的渗入 为使渗氮过程顺利进行，必须去除钝化膜，常用方法是在渗氮罐中加入固体氯化铵在300℃以上，氯化铵即会分解并与钝化膜发生反应，从而破坏钝化膜，因而使渗氮过程得以正常进行由于氯化铵在渗氮温度下分解很快，为了延缓其分解过程，使它在较长的时间内起到作用，往往将氯化铵和石英砂混合后加入渗氮罐中氯化铵的加入量根据罐的容积而定，常为100~150g/m3，，氯化铵与石英砂的比例。