影響滲氮質量的工藝參數

胡 蓉

（廣西機械高級技工學校，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的化學熱處理工藝，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，同時向心部擴散。氮化通常利用專門設備或井式滲氮爐來進行。目前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。經過滲氮處理的制品具有優異的耐磨性、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熱處理工藝之一，廣泛應用于機械、冶金和礦山等行業的齒輪、凸輪、工具、冷作模具、熱作模具等零件和產品的表面處理。

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

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。

當滲氮溫度低時，氮原子擴散能力弱，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℃）進行滲氮，工件表面氮濃度雖然提高，但硬度仍不提高。這是因為在第一次滲氮時，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以內時應用510～530℃等溫滲氮，可認為每小時滲入0.01mm，見表1.

表1 滲氮時間與滲氮層厚度關系

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，因為滲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，因為再增加對其滲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。當增加流量時，分解率減少；反之，流量減少，分解率增加。當溫度上升時，分解率增加；溫度下降，分解率減小。如進氣壓力為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，提高分解率可以增加硬度，但導致脆性增大[3]。若過大地提高分解率（>80%），會導致滲氮層內氮濃度的降低，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。現將溫度與氨分解率的關系列于表2中。

表2 滲氮溫度與氨分解率

在生產中應控制氨的分解率。滲氮開始階段8～10 h，氨分解率應低一些（如500～520℃為18%～25%）.如果分解率過高，會使滲氮層硬度顯著降低。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械加工內應力、滲氮部位、工件的幾何形狀以及裝爐方式等因素有關。

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的控制比較嚴格，加熱與冷卻十分緩慢，以及在滲氮過程中工件內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，只能掌握其變形規律選擇合理的工藝參數來進一步改善。

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，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部擴散，因而工件滲氮層愈厚，變形也愈大。

2）滲氮設備。不同的滲氮設備，由于溫度和氨氣流動的均勻性、工藝參數控制的準確性可能不同，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）化學成分。工件的化學成分不同，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）機加工內應力

工件滲氮前的機加工會使其產生一定的內應力。如果這種內應力沒有很好地除去，則滲氮后，對工件變形影響較大。因此，對變形要求嚴格的工件，在滲氮前必須進行去應力退火及時效處理，充分地消除機加工的內應力[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，結果，就使工件產生不規則的變形。

（4）工件幾何形狀

在實際生產中，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力值比無鍵槽的部位高，造成應力不平衡的緣故；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生變形，導致零件報廢，應合理考慮零件的幾何形狀。

（5）工件的裝箱與裝爐方式

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

5 結束語

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

[1]彭其鳳，丁洪太 .熱處理工藝及設計[M].上海：上海交通大學出版社，1993.

[2]崔虹雯.機械制造基礎[M].北京：中央廣播電視大學出版社，2009.

[3]崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社，2007.