（载运工具运用工程专业论文）真空条件下感应加热氮化工艺研究.pdf

摘要 真空渗氮以其氮化速度快、渗层深、工件表面清洁而受到广泛关注，然而现阶段 仍然存在一些问题需要解决和讨论，如真空氮化用炉加热问题。由于在低真空的条件 下加热，传热只能靠辐射，加热速度较慢，工件需整体加热、升温缓慢，不仅浪费宝 贵的能源，而且长时间加热会导致心部组织粗大。另外靠近加热元件的工件部分升温 速度明显快于其他部分，这样就使工件受热不均。而感应加热方式具备普通对流和辐 射传热无法比拟的特性，可以在几秒内将工件加热到需要的温度，且仅加热工件表面， 节省能源。另外感应加热方式对氨气的分解有促进作用，为真空氮化工艺的选择性提 供了空间。 基于以上的考虑，本实验将高频感应加热与真空氯化结合在一起，研究真空感应 加热氮化的特点。通过各种条件下的实验工作，系统地研究了在感应加热条件下真空 氮化的特点，重点放在氮化层形成的工艺参数选择问题上，以及工艺参数对氮化层层 深与组织结构的影响。本文主要研究结果如一f ： l 真空感应加热氮化在氨气流量的选择上不同予常规真空氮化，所需氨气流量较 大；渗扩速度快，短时间( 2 。4 h ) 即可形成较厚的氮化层( 0 3 5 r a m ) ，但时间过长氮 化层增厚并不显著。 2 真空感应氮化后的组织与其它氮化方式不同，化台物层由l 相、少量的s 相等 组成；表面开裂、疏松严重，在氮化物层中有较多的气孔存在；在所研究的几种钢中， 多个样品氮化物层下出现一定厚度的异常组织，分析原因可能是因为控温不准而局部 过热导致氮化时基体出现奥氏体化，随后冷却时会有含氮铁素体及合金氮( 碳) 化物 析出。 3 在真空感应氮化与离子氮化的比较中，离子氮化样品中的化合物层薄且缺陷 少，这与离子氮化的溅射作用有关。另外试样在感应圈内的位置对氮化质量有较大影 响。 关键词：氮化；真空；感应加热 s t u d yo nt h ei n d u c eh e a t i n gn i g t r i d i n gu n d e rv a c u u m a b s t r a c t v a c u u mn i t r i d i n g ，a san e wn i t r i d i n gt e c h n i q u e ，i sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea r e n t i o n b e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e ss u c ha sh i g hn i t r i d i n gs p e e d ，d e e pn i t r i d i n gc a s ea n dc l e a n n i t r i d i n gs u r f a c e i th a sm a d eg r e a tp r o g r e s si nt h e o r ya n da p p l i c a t i o n ，h o w e v e r , t h e r es t i l l e x i s ts o m ep r o b l e m sr e q u m n gr e s e a r c h i n ga n ds o l v i n g ，f o re x a m p l e ，t h eh e a t i n go ft h e s p e c i m e ni nt h ev a c u u ms t o v e i nl o wv a c u u mc o n d i t i o n ，c o n v e c t i o nt a k e sl i t t l ee f f e c ta n d t h eh e a t i n go fs p e c i m e n si sm o s t l yc o m p l e t e db yr a d i a t i o n s of o rat r a d i t i o n a ls t o v et oh e a t s p e c i m e n ，t h eh e a t i n gp r o c e s si sl o n ga n dt h et e m p e r a t u r er i s i n gi ss l o w i tn o to n l yw a s t e s t h ee n e r g yb u ta l s ol e a d st ot h ed e t e r i o r i s mo f t h es p e c i m e ni nt h ec e n t e rp a r tb e c a u s eo f t h e l o n g t i m eh e a t i n g i na d d i t i o n ，t h et e m p e r a t u r er i s i n go ft h es p e c i m e n sa r en o tu n i f o r m b e c a u s et h o s ec l o s et ot h eh e a t e ra r eh e a t e df a s t e rt h a no t h e r s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a l h e a t i n gi nv a c u u mc o n d i t i o n ，i n d u c t i v eh e a t i n gh a ss o m es u p e r i o rc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s h e a t i n gt h es p e c i m e nt ot h er e q u i r e dt e m p e r a t u r ei naf e ws e c o n d ，h e a t i n gt h es p e c i m e n s u r f a c eo n l yt os p a r et h ee n e r g y , a n dp r o m o t i n g t h ed e c o m p o s i n go fn h st o p r o v i d e m u l t i t u d i n o u sc h o i c e sf o rn i t r i d i n gp a r a m e t e r s b a s e do nt h ea b o v ec o n s i d e r a t i o n s ，t h er e s e a r c hm a i n l yc o n c e r no nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ec o m b i n a t i o no fv a c u u mn i t r i d i n ga n dh i g h f r e q u e n c yi n d u c t i v en i t r i d i n g t h r o u g h t h ee x p e r i m e n t si nd i f f e r e n tn i t r i d i n gc o n d i t i o n s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a c u u mn i t r i d i n g w e r es t u d i e di ni n d u c t i v eh e a t i n gc o n d i t i o n t h ea t t e n t i o no ft h er e s e a r c hw o r ki sp a i dt o t h ec h o i c eo fn i t r i d i n gp a r a m e t e r sa n dt h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a m e t e r so nt h et h i c k n e s sa n d t h es t r u c t u r eo f n i t r i d i n gc a s e t h em a i nr e s u l t sa r es t a t e da sb e l o w ： 1 t h er e s e a r c h0 nt h en i t r i d i n go f 4 5 # s t e e ls h o w st h a tv a c u u mn i t r i d i n gw i t hi n d u c t i v e h e a t i n gh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c sd i f f e r e n tf r o mo t h e rv a c u u mn i t r i d i n g i tr e q u i r e sm o r e f l o wr a t eo fn h 3t os u p p o r ti t sf a s tn i t r i d i n g at h i c kn i t r i d i n gc a s eu pt oo 3 5 m mc a r lb e o b t a i n e di nas h o r tn i t r i d i n gt i m e ( 2 - 4 h ) a f t e rt h a t ，t h et h i c k n e s si n c r e a s i n go fn i t r i d i n g c a s ew i t hn i t f i d i n gt i m eb e c a m eu n r e m a r k a b l e ， 2 t h e4 5 # s t e e lt r e a t e di nv a c u u mi n d u c t i v en i t r i d i n gh a sad i f f e r e n ts t r u c t u r ea st h a ti n o t h e rn i t r i d i n g i tc o n s i s t so f 一p h a s ea n dal i t t l e7 - p h a s e ，a n dl o t so fp o r e se x i s ti nt h e 【i n i t r i d i n g c a s e w h i c h s e v e r e l y d e c r e a s e st h e c o m p a c t i o n o ft h e l a y e r a b n o r m a l o r g a n i z a t i o n so fd i f f e r e n tt h i c k n e s sc a nb eo b s e r v e di ns o m es p e c i m e n s t h e s ea b n o r m a l o r g a n i z a t i o n sm a yb et h en i t r i c f e r r i t eo rn i t r i d e ( c a r b i d e ) t h a ti ss e p a r a t e do u tt h r o u g ht h e c o o l i n go fa u s t e n i t i z e ds u b s t r a t er e s u l t e df r o mt h eo v e r h e a t i n gi nt h en i t r i d i n gp r o c e s sd u e t ot h ei n a c c u r a t et e m p e r a t u r ec o n t r o l 3 c o m p a r e dt os p e c i m e n si nv a c u u mi n d u c t i v en i t r i d i n g ，t h o s ei ni o nn i t r i d i n gh a v e l e s sd i s f i g u r e m e n ti nt h ec o m p o u n dc a s ea sar e s u l to fs p l u t t e re f f e c ti ni o nn i t r i d i n g o f t h r e es p e c i m e n si nv a c u u mi n d u c t i v en i t r i d i n g ，t h es p e c i m e nm o s tc l o s et ot h ei n d u c t i v e l o o ph a st h eb e s tn i t r i d i n gr e s u l t ，w h i c hm a yr e s u l tf r o mt h ed i f f e r e n tn i t r i d i n gt e m p e r a t u r e i nd i f f e r e n tp l a c e s k e y w o r d s ：n i t r i d i n g ；v a c u u m ；i n d u c t i o nh e a t i n g 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士硕士 学位论文 ：真窒釜佳工盛廛加垫氢毡王苎硒宜：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明 的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声弭的法律责任由本人承担。 论文作者签名：i ； ；辱”西年；月坪e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办 法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可咀将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年觯密后适用本授权书。 本学位论文属j 二：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：i 司；午导师签名：季砬孚 日期：尹西年 月坪日 第1 章绪论 化学热处理是表面合金化与热处理相结合的一项工艺技术。它是将金属或合金工 件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或儿种元素渗入工件表层，以改变其化学 成分、组织和性能的热处理工艺。 化学热处理是一项既古老而又充满活力的表面改性技术，在整个热处理技术中， 占有相当大的比重。通过表面合金化实现表面强化，在提高表面强度、硬度、耐磨等 性能的同时、还能保持心部的强韧性，使产品具有更高的综合力学性能；表面合金化 还可以在很大程度上改变表层的物理和化学性质，提高零部件的抗氧化性、耐腐蚀性； 同时化学热处理也是修复热处理技术的重要组成部分。因此，化学热处理是机械制造、 化工、能源动力、交通运输、航空航天等许多行业中不可或缺的工艺技术。 化学热处理的基本过程是将所需元素渗入工件表层，须经历一系列物理和化学反 应。传统的化学热处理通常可归纳为渗剂的分解，工件表面对活性原子的吸收，以及 活性原子从工件表层向内部的扩散三个过程。目前常用的化学热处理工艺有：渗碳、 渗氮、渗硫、渗b 、v 、c r 、s i 、a l 等等，其中以渗碳利渗氮应用的最为广泛和成熟。 钢铁零件在活性氮的介质中，在一定温度和保温时间下，使其表面渗入氮元素的 过程，叫做钢的渗氮或氮化。渗氮是使氮以原子态渗入金属表面的一种化学热处理 工艺。这种技术是借助渗氮介质分解出活性氮原子或高能氮离子，与热的金属表面发 生作用，被吸收并向内部扩散后形成氮化层，其中包含化合物层和过渡层。渗氮技术 能提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性，而且渗氮的温度比渗碳低得 多，热处理变形小。除了奥氏体钢以外，钢铁氮化过程都是在o 【一f e 状态下进行，因此 常把渗氮列为铁素体化学热处理( f e r r i t i ct h e r m o c h e m i c a lt r e a t m e n t ) 范畴之内。 1 1 渗氮的背景 1 1 1 渗氮工艺的开端 在2 0 世纪初，最早是在氨气流中加热钢铁制件发现了钢表面的渗氮现象。1 9 2 3 年， 德国的a f r i 2 】发表了题为“铁、钢及合金钢中的氮，新的表面强化方法”一文。作者 用金相观察、化学分析及磁性检测等方法，详细研究了电解纯铁在氨气流中氮化形成 的氮化层的化学成分、显微组织特征及磁性转变点，首先建立t f e n 状态图。同时， 作者还研究了纯铁、碳铜及合金钢在不同温度渗氮后表面氮化层的显微组织及硬度。 从此，钢铁气体氮化作为一种提高钢铁制件表面性能的工程技术方法也被广泛应用。 1 1 2 渗氮工艺的特点i 3 j 高硬度和高耐磨性对3 8 c r m o a i 等零件，氮化表面硬度可提高到1 0 0 0 1 2 0 0 h v ， 这是一般淬火或渗碳淬火工艺达不到的。 较高的疲劳强度由于渗层的固溶强化与弥散硬化，提高了渗氮层的强度；同时， 在渗氮层中由于相变的比容变化产牛了很大的残余压应力，使渗氮件疲劳强度显著提 高：并且使工件的缺口敏感性降低。 红硬性和抗咬合性渗氮表面在5 0 0 c 以下可长期保持高硬度：短期加热到6 0 0 ， 其硬度仍不降低。故渗氮零件在短时间缺乏润滑或过热的条件下，具有较高的抗粘着、 抗胶合的能力。 较高的抗蚀性渗氮后零件表画形成了一层致密的和化学稳定性较高的氮化层， 显著地提高了材料的抗腐蚀性能，能有效地抵抗大气、雨水、水蒸气、苯、油污以及 弱碱性溶液等的腐蚀。 变形小由于渗氮温度低，一般为4 8 0 c 5 8 0 。c ，零件心部无组织转变，所以氮化 变形小，而且可按其变形的规律加以掌握和控制。 但是，渗氮的缺点是渗氮速度比其他化学热处理低得多，其生产周期长。另外， 渗氮处理一般只适用于某些特定成分的钢种，如含c r 、m o 、a i 、w 、v 羊t t i 等合金元 素的钢种，否则难吐达到理想的性能指标。 1 13 渗氨层的组成及形成机理 渗氮层的组织可以借助f e 卟j 状态图( 如图1 1 ) 进行分析【4 ，”。从f e n 状态图中可知， 铁和氮可以形成五种不同成分、结构和性能的相，略述如下： w 盘0 0 f7 h 。 型 列6 5 l 】l j 4 呲 3 0 0 图l 1f e n 相图 f i g 1 1p h a s eg r a p ho f f e - n ( 1 ) 相是氮在a f e 中的间隙固溶体。氮原子位于一f e 点阵的八面体间隙内。在 5 9 0 z ：时，氮的最大溶解度约为0 1 ，性能与铁相近。该相具有铁磁性。 ( 2 ) v 相氮在面心立方点阵y f e 中的间隙固溶体。y 相在共析温度5 9 0 0 以上存在。 氮原子无序地分布在v f e 点阵的八面体间隙内。共析点含氮量为2 3 5 。在6 5 0 。c 时氮 的最大溶解度为2 。8 。 ( 3 ) v ，相以f e a n 为基的固溶体，面心立方点阵，含氮在5 7 6 1 的范围内。 氮原子有序地排列在面心立方点阵晶胞的中心。有较好的强度、硬度和耐磨性。7 相 是铁磁相，在温度低于6 7 0 c 时稳定，当温度高于6 7 0 。c 时共变成相。 ( 4 ) e 相以f e ：n f e a n 为基的同溶体，铁原予成密排六方点阵排列。氮原子位 于点阵的八面体间隙内。 ( 5 ) t 相为以f e 2 n 为基的固溶体，斜方点阵结构，也可看作略经变形的六方点 阵大量氮源子引起点阵中铁原子的剪切位移。i 相含氮量为1 l 1 1 3 5 ，脆性大， 耐腐蚀。 1 1 4 渗氮层的形成过程 渗氮过程和其它化学热处理过程一样，包括渗氯介质中的反应，渗剂中的扩散， 相界面反应，铁中的扩散以及扩散过程中氮化物的形成。渗剂中的反应主要是指渗剂 分解出含有氮元素的物质的反应，该物质通过渗剂中的扩散被输送至铁表面，并参与 界面反应。在界面反应中产牛的原子态氮被铁表面吸收，继而向内部扩散。 ( 1 ) 渗氮介质中的反应 使用最多的渗氮介质是氨气。在渗氮温度时，氨是亚稳定的。其分解反应为： 2 n h 3 一3 h 2 + n 2 ( 1 1 ) 氨气在无催化剂时，气相分解活化能约为3 7 6 k j t o o l ，而当有铁、钨、镍等催化剂 的参加下，其活化能约为1 6 7 k j h n o l 。所以氨的分解主要在炉内管道、渗氮箱、挂具及 工件本身等由钢铁材料制成的构件表面通过催化作用而进行，而在气相中自行分解的 数量是较少的。 综上所述，钢铁零件渗氮时，氨气通入炉内后，一部分直接到达工件表面并在其 催化作用下发生分解反应。另一部分则在未到达工件表面前已按上述反应分解，其分 解产物有的通过介质扩散到工件表面，有的逸出炉外到达工件表面的氨气和一些分解 气氛，则根据热力学条件，参与界面反应。 ( 2 ) 氮的吸收过程及铁表面的界面反应 6 】 氮化时，氨在铁表丽的分婀过程可分为三步进行。 第一步，氨被铁表面吸附的过程。由于吸附活化能一般比化学反应活化能低得多， 故这一步速度较快，温度愈高速度愈大。 第二步，逐步脱氢的过程。当氮分子进入到铁表面原予引力场内时，就被铁表面 吸附。实验证明这种吸附是一种化学吸附，在这种化学吸附作用下，削弱了氨分子中 原来的n h 键，降低了n h 键破裂所需要的活化能。 第三步，在铁表面所析出的活性原子 n 、 h 如不及时为铁表面吸收，将很快 地结合成h 2 、n 2 分子而逸入气相。 铁表面对氮原子的吸收能力，决定于温度、表面状态，对钢来说，还决定于钢材 的化学成分等。渗氮温度愈高，氮溶入于铁表面晶体点阵的机率愈大。 经上述过程分解出来的活性氮原子被铁表面吸收后，将在铁表面进一步发生界面 反应，在反应后这些氮或溶解于n f e 点阵中形成固溶体，或形成s 、t ，等氮化物。 9 要 5 己， l o l o a s 0 n r 2 q 晨涨 图l2 纯铁渗氮过程中渗氨层浓度随时间的变化 f i g 1 2s c h e m a t i ct h ec h a n g eo f n c o n c e n t a t i o np r o f i l ef o rp u r ei r o nd u r h n gn i t r i d i n g 由于氨气不断的进行热分解，所以为了使氮化作用继续不断的进行下去，需要不 断输入新鲜的氨气，不断产生活性氮原了。因此，控制氨的分解和炉内气氛的成分， 是控制气体氮化过程的关键之一 ( 3 ) 氮的扩散过程 铁表面渗入氮原子后，表面和内部产生了氮的浓度差，造成了热力学上的不平衡， 因此要发生宏观的氮原子的定向扩散。当铁在氮势匿定的气体介质中渗氮时，根据实 验测定，表面的氮浓度并非立即提高到与气氛氮势相平衡的氮浓度，而是逐渐提高的。 图1 2 所示为纯铁渗氮时，在0 至一，时间段，渗层氮浓度曲线随时间的变化。表面 氮浓度由开始时的0 逐渐升高，如果渗氮气氛中氮势足以使表面形成e 相氮化物，则 在渗氮过程中，随着渗氮时间的延长，表面将发生a - f e 变成v 相和最后变成相的转 变，而且v 相和e 相形成后还随之增厚。 ( 4 ) 氮化层的生长及其影响因素 渗氮层的形成和长大速度，决定于气氛的氮势、铁表面对氮的吸收能力及氮在铁 中的扩散等因素f 8 。气氛的氮势愈高，铁吸附氮的能力愈强。在铁表面氮浓度的提高 就愈快，这样势必造成铁表面较高的氮浓度梯度，从而加速扩散过程，使渗氮层长大 速度加快。目前为了加速渗氮过程，在这方面采取了一i 少措施。例如电解气相催渗渗 氮法，就是为了提高渗荆活性，从而提高气氛氮势的一种方法。又如在渗氮罐中加 入一定量的氯化氨，使其在渗氮加热过程中逐渐分解，分解出来的h c i 气体，可以轻 微腐蚀工件表面，除去工件表面钝化膜，使工件表面新鲜，提高工件表面对氮吸收的 能力，从而加速氮化过程。 渗氮温度的影响，表现在两方面，一方面改变了氮在各氮化物相中的扩散系数， 另一方面，根据f e - n 状态图，还改变着渗层各相的溶解度范围从而影响渗层的长大动 力学。值得注意的是，影响渗氮扩散速度的另一个重要因素是材料表面的变形量。铁 在渗氮前的冷变形或热变形可使渗氮层深度增加9 1 。因为冷变形所产生的滑移带及位 错提供了氮原子的扩散通道，从而加速了扩散过程各种物理场对渗氮过程动力学的作 用有相似的结果，即它们都能加速渗氮过程。 1 15 渗氮工艺的发展 ( 1 ) 常规渗氮工艺【l 叫 1 ) 等温渗氮 此渗氮工艺是最初的渗氮工艺，它就是在同一渗氮温度下、长时间保温的渗氮方 法。渗氮温度一般在4 8 0 。c 5 3 0 。c 之间。此工艺优点是操作简单，工件变形小，缺点 是由于工艺时间过长、渗层浅，易产生脆性层。为了缩短渗氮的时间，且保持较高的 硬度，于是就发展了二段渗氮，二段渗氮工艺，第一阶段一般现在s 0 0 。c 左右渗氮一 段时间，这样使工件表面形成高度弥散的氧化物颗粒，从而保证硬度，第二阶段温度 升n 5 5 0 - c h i 右继续渗氮，以加速氮原子扩散，以缩短渗氮时间 。 三者氮化工艺比较，等温氮化时间最长，两段氮化次之，三段氮化时间最短：但 从渗层硬度，脆性和工件变形等方面比较，等温氮化质量好些。因此，等温氮化运用 于要求表面硬度高而工件变形极小的工件，二段、三段氮化则适用于要求表面较硬而 结构简单的零件 1 2 1 。 2 ) 催渗渗氮 在渗氮介质中添加一种或几种起催渗作用的物质使渗氮的时间缩短，即催渗渗氮 如加氮渗氮、加钛渗氮等。加氮渗氮是在氨气中加入氮气，氮气占混合气体的3 0 9 0 。这样，不仅可以显著缩短渗氮时间，而且还改善渗层组织，降低脆性。加钛渗 氮，是在工件上镀一层钛，然后再渗氮，也可提高渗速。 3 ) 预氧化催渗气体渗氮 研究表明，工件经短时氧化后，表面会形成氧化薄膜，这对气体渗氮具有较强的 催渗作用，能使n 原子的渗入显著加快。在5 8 0 。c 下经预氧化一渗氮两次循环处理工艺 ( 预氧1 0 m i n ，渗氮3 h ) 可使渗氮层由5 8 0 。c 6 h 渗氮时的0 2 9 m m 提高n o 5 5 r a m ，而且 使氮化层的硬度梯度大大得到改善。 ( 2 ) 渗氮工艺新技术 1 ) 真空脉冲渗氮 真空脉冲渗氮是先将渗氮炉抽气，使炉内真空度达一0 1 m p a ，然后通过氨气进行脉 冲渗氮。通过改变真空脉冲渗氮的工艺参数，可以控制渗氮层的相成分和结构，本工 艺对狭缝、微孔的渗氮效果非常好，这是气体渗氮和辉光离子渗氮所望尘莫及的。此 工艺采用脉冲式供氨，这使工件上的盲孔及压紧的平面均能进行渗氮，经检验，炉中 各部位的工件渗氮层比较均匀，而且真空渗氮，氨气的消耗量为传统氮化的1 5 ，还有 一个优点就是通过对送入炉内的含活化物质的复合气体的种类和量的控制，可以得 到几乎没有化合物层( 自层) ，而只有扩散层的组织旧。 i l v l 藏化避崖l 暇飞 差，斟讣j 瓣i 陪一氢纯时阁- - - 图1 3 真空脉冲渗氮工艺曲线图 f i g 1 3g r a p ho f t h et e c h n i q u eo f t h ev a c u u mp u l s en r r o g e ni n f i l t r a t i o n 2 ) 增压气体渗氮 增压气体渗氮是近些年来研究的一种新的渗氮方法。氨气在炉内的反应式： f e + n h 3 一f e i n 】+ 3 2 h 2 ( 1 2 ) 式中f e n 】为氮在铁中的固溶体。氮在固溶体中的活度( a n ) 与炉气中的n h 3 的分 压( p n h 3 ) 与h 2 的分压( p h 2 ) 存在以下关系： a n = k ( p n h 3 p h 2 3 c 2 ) ( k 为平衡常数) ( 1 3 ) 从方程式可以看出氨分解是体积增加的过程，所以随着炉压提高，n h 3 分解率降 低，同时h 2 的分压降低，n h 3 的分压增大，根据( 1 3 ) 式可知a n 随之提高。提高炉 压，可降低氨的分解率，能有效降低氨的消耗量。实践证明，增大炉压可以明显缩短 渗氮时间，降低炉压则延长渗氮时间。我们知道，化学热处理的吸附，主要是化学吸 附，当压力达到一定值时，吸附量不再增加。因此炉压应保持在合理的范围内。 增压脉冲工艺不仅可提高渗速而且降低氨分解率，能节约氨气2 0 3 0 ，而 且具有较高的渗氮速度和较好的渗层质量，此工艺能在大面积装炉量的情况下，得到 良好的工艺效果。 1 2 真空渗氮技术 12 1 离子渗氮 ( 1 ) 离子渗氮的过程 等离子体的产生渗氮气体在电场作用下，产生等离子体，其伏一安特性曲线示于 图1 4 ，渗氮件从气体离子中获得能量而升到渗氮温度，同时获得活性氮原子而渗入 氮。当施加一个直流电压时，则产生了与位置有关的电压降和空间电荷。电压仅在阴 极表面前的一个短距离内发生陡降。它使等离子体猛烈撞击阴极。所有等离子反应如 图1 4 离子渗氮辉光放电区分布图“” f i g 1 4g r a p ho f i o n i cn k r i d i n gg l o wd i s c h a r g ez o i q e 激发、分解、电离以及复合都在这个区域发生。被激发出的原子和分子辐射出辉光 ”】。 辉光区与零件几何外形相吻合，随着氮势和温度的提高辉光将越来越亮。 阴极溅射在阴极位降区，氮原子在相互碰撞中形成氮的正离子离子在电场作用下 向工件强烈加速。当离子轰击工件表面时，铁原子从工件氮表面分离出来。通过吸附 作用生成f e n 而吸附在工件表面。由于f e n 在渗氮温度下不稳定，将发生如下分解： f e z n f e 3 n f e 4 n ，并与靠近工件表面的等离子体中活性很强的氮原子相结合，释放出 的氮向零件内部扩散，或因溅射而重新进入等离子区。整个过程如图1 5 所示。 图1 5 阴极溅射模型”5 1 f i g 1 5c a t h o d es p a t t e r i n gm o d e ( 2 ) 离子渗氮的特点l 气体渗氮时氮的表面浓度先在相内逐渐增加，超过其饱和溶解度后表面将形成 f e 4 n 和f e 3 n 的氮化物。而离子渗氮时由于界面反应十分迅速，在较短的时间内表面氮 浓度便达到平衡浓度，并且随时间延长这一浓度之保持不变。这样将会首先在工件表 面形成有一定厚度的化合物层( y 和5 岬，) ，同时在工件表面形成高的浓度梯度随后 氮向内部扩散形成扩散层。 在气体渗氨初期，氨气分解后产生的活性氮原子沿晶界扩散形成碳氮化舍物。这 样相当一部分氮无益地消耗了。而且形成的碳氮化合物强烈地阻碍了其后氮的晶界扩 散。而在离了渗氮时，氮离子一开始就可以进行晶内扩散，而且部分碳从表面被溅射 出来，使晶界处于脱碳状态。氮可以沿着无碳氮化台物的晶界扩散，扩散速度显著加 快。另外离子轰击将产牛高密度的位错，降低氮的扩散激活能，这同样可加快氮的扩 散【l6 1 。 ( 3 ) 离子渗氯的应用 国外离子渗氮工艺在工业部门已得到了普遍应用。它可以处理各种黑色金属的大、 中、小型工件，并正在逐步取代有污染的盐浴渗氮和气体渗氮。随着渗层离子渗氮技 术和新型钢种的开发，离子渗氮在一定范围内正取代渗碳工艺。在表面改性领域中， 在一定范围内开始了与镀铬工艺、等离予喷涂技术的角逐。 1 2 2 真空渗氮 真空渗氨时，将真空炉排气至较高真空度( 1 1 0 。1 p a ) ，然后将真空炉内工件升至 ( 5 3 0 5 6 0 ) ，同时送入以氨气为主的，含有活性物质的多种复合气体，并对各种气 体的送入量进行精确控制，炉压控制在6 6 5 p a ，保温( 3 5 ) h 后实施炉内惰性气体的快 速冷却。 亨 图1 6 真薯兰渗氮设备示意图 f i g 1 6t h es e to f v a c u u m ep u l s en i t r i d i n g 1 液氨2 干燥器3 真空炉4 氨捱表5 流量计6 真空表7 接真空泵 根据不同的材质，经此处理后可得到硬度为( 6 0 0 1 5 0 0 ) h v 的硬化层。也可以 通过改变炉压的情况下来获得不同硬化层，这种方法称为真空脉冲渗氮。真空渗氮设 备示意图1 6 。 ( 1 ) 真空脉冲渗氮过程 实验时将炉内真空度至1 3 3 p a ，然后开始升温至渗氮温度，到温后保持3 0 r a i n ， 使试样面净化，脱气，随后关闭真空泵，进行周期式“通抽气”，炉内最高压力不超 过( o 4 o 6 ) x 1 0 5 p a ，保温一定时间后随炉冷至3 0 0 。c 0 8 】。 ( 2 ) 真空脉冲渗氮的工艺参数影响2 1 1 温度对渗层的影响真空脉冲渗氮温度过高，合金化合物粗大；渗氮温度过低，渗 层浅，合金化合物形成少，硬度低。真空脉冲渗氮温度在5 1 0 c 5 7 0 。c 范围内，对渗 层，硬度的影响不明；显。 图1 7 真空渗氮时真空炉内压力 f i g 1 7t h ei n t e r i o rp r e s s u r eo f t h ef u m a c ei nv a c t r l mp u l s en i t r i d i n g 不同炉压的影响为炉压上限越高，渗层的深度和硬度也越好：炉压下限对渗层的 影响是真空度越高，则硬度和渗层厚度均比较好。 真空脉冲渗氮时问的影响时间的增长，硬度增加，而且有化合物层出现，硬度增 加更加明显，渗层也加深。通n h 3 流量越多，则硬度越高，渗层也加深，如1 6 0 0 格比 1 0 0 0 格要好很多。脉冲时间过长，渗层变薄，排出气不能充分燃烧，时间过短，表面 脆性加大。 ( 3 ) 真空渗氮的特点 真空渗氮与普通气体渗氮相比有以下特点： 1 ) 速度快，3 8 c r m o a l 钢经5 3 0 。c 1 0 h 真空渗氮即可得n o 3 m m 的渗氮层，而普 通气体渗氮则需要2 0 h 以上。因此，渗氮速度可成倍提高； 2 ) 渗氮层硬度高，由于气氛中氮势高，故钢表层的氮浓度和渗氮层硬度都比较 高； 3 ) 氨气用量少，经测算，对于容积为1 m 3 的真空炉，得n o _ 3 o 5 m m 的渗氮层所 需液氨不足2 k g ，而普通气体渗氮的消耗量在i k g h 以：； 4 ) 真空渗氮可以采用较高的温度，这对于普通气体渗氮是不可取的； 5 ) 使金属表面活性化和清净化。在加热、保温、冷却的整个热处理过程中，不 纯的微量气体被排出，含活性物质的纯净复合气体被送入，使表面层相结构的调整和 控制、质量的改善、效率的提高成为可能。 ( 4 ) 真空渗氮与离子渗氮的比较 与离子渗氮相比，真空渗氮有如下特点： 1 ) 温度均匀易控制，而离子渗氮时工件依靠正离子的轰击而被加热，温度的测 量和控制都存在一定的困难； 2 ) 渗氮表面质量高，离子渗氮过程中，正离子不断轰击工件表面，在表面产生 许多小坑，尤其当电流大时这种现象就更严重； 3 ) 工件渗氮层分布均匀，尤其是形状复杂和带小孔的工件在离子渗氮时是很难 得到均匀一直的渗氮层，真空渗氮由于间歇式抽气，炉内气氛较普通气体渗氮时流动 更均匀，保证了工件各部位都能得到均匀一致的渗氮层。 真空渗氮层具有与其他渗氮层相似的组织结构和性能特点。而且由于真空的净化 作用和较高的炉气氮势，真空渗氮的速度比普通气体渗氮提高一倍以上。真空渗氮克 服了普通气体渗氮和离子渗氮的缺点，为实现快速优质渗氮提供了一条新的途径。 1 3 感应热处理【8 1 与感应氮化 如图1 8 所示，将工件置于感应器内，通以一定频率的高频交流电，使工件表层 产生感应电流，很快被加热到淬火温度，然后切断电流，将工件急速冷却，即完成了 感应加热表面淬火工序。与普通加热方法相比较，感应加热没有外热源，使工件表面 加热的热量是在工件表层中产生的。 1 3 1 感应热处理原理 ( 1 )电磁感应、涡流发热和磁滞发热 图1 8 感应加热原理示意图 f i g 1 8i n d u c t i o nh e a t i n gs c h e m a t i cd i a g r a m 图1 9 感应电流在导体截面上的分布 f i g 1 9i n d u c e dc u r r e n td i s t r i b u t i o ni n c o n d u c t o rc r o s s s e c t i o n i 。表面上电流密度 一电流渗透深度 众所周知，通有交变电流的导体周围产生交变磁场。如果在这个交变磁场中放入 另一导体，则在这个导体中就会产生感应电动势、并有电流通过。这种现象称为电磁 感应现象，如图1 8 所示。感应电流在工件中形成闭合回路，成为涡流。其瞬时方向 与通入感应器中的电源电流的方向相反。 电流频率越高，磁通变化率越大，感应电动势e 值也相应增大。负号表示感应电 动势的方向与磁通变化率的方向相反。 根据电磁感应定律，感应电势的瞬时值为： p ：一k 塑 d r 式中冉r 一比例系数： 一工件上感应电流回路所包围面积上的磁通量 掌一磁通变化率； 盯r ( 1 4 ) 工件中感应出来的涡流强度于决定于感应电动势e 及工件内涡流回路的电抗z 。 电抗z 由电阻r 和感抗x 组成，如下式 ，：旦： !【1 5 ) 。7 。了。丽丽 ” 由于z 值很小，涡流，很高，根据楞次定律，涡流转换成的热能可由经验式计算： q = 0 24 ，：r t ( 1 6 ) 式中q 一热能，c a l it 一通电时间，s ：r 一电阻，q ；t 一通电时间，s ： 这就是涡流发热的原理。此外钢铁工件是铁磁材料，具有很大的剩磁，在交变磁 场中，工件磁极的方向随感应磁场方向而改变。在交变磁场作用下，磁畴方向迅速改 变将因剧烈摩擦而发热，因而对工件也起加热作用，这就是磁滞热效应。但是，这部 分热量比涡流热小得多，而且只存在于居里点以下。 ( 2 ) 集肤效应 又称表面效应。已知导体通过交流电时，截面上电流密度分布是不均匀的，愈靠 近表面、电流密度越大。这种电流集中于导体表面的现象，称为集肤效应。 电磁感应定律证明，自感电势的大小与磁通变化率成正比，所以电流频率愈高， 自感电势愈大，因而集肤效应愈显著。故浅层感应加热应采用高频交流电源。 集肤效应与导体半径有关系，半径愈大，连磁力线差值愈大，因而集肤效应愈显 著。一般，工频电流几乎是没有集肤效应的，但当导体截面很大时，集肤效应就很明 显了。 1 3 2 感应氮化 感应氮化的设备如图1 1 3 在缓慢加热氮化工艺的主要缺点是时间太长( 2 0 6 0 h ) 。加速这一过程的有效方法 之一是采用高频电流加热。现在已证明，可以用感应加热在气体、液体和固体介质中 进行氮化工艺。 鑫 期碴 躯 炉t 斛ll世黼lrn 图1 1 3 感应加热氮化设备示意图 f 追11 3i n d u c t i o nh e a t i n gn i t i d i n ge q u i p m e n t 1 氨气瓶2 干燥器3 流量计4 集流管5 陶瓷圆筒6 零件 7 装零件的夹具8 感应圈9 氢分解计l o 热电偶“检流计 1 ) 感应氮化的特点 感应加热气体渗氮与其它渗氮方法一样，遵循活性原子的吸附、渗入、扩散机理。 但是作为感应加热这一特殊技术也有其自身特点。 感应加热升温速度之快是与一般传导对流和辐射方式加热无法相比的。 由于高频感应加热的集肤效应，首先达到设定渗氮表面的应该是工件的表面 层，而这正是要求渗氮的部位。也就是说只要这时有活性氮原子存在于工件表面，渗 氮就己经开始了。 整个渗氮炉罐内的温度在渗氮全过程中是不均匀的。工件表面温度最高，距 工件表面越远的部位，其温度越低。这就导致了炉罐内各部位的氨气分解率也是不一 样的，工件表面附近氨分解率最大，离工件表面越远，则氨气分解率越低，因此氨气 的总分解率始终是很低的。 供给工件表面进行渗氮的活性氮原了十分充足。由上述第三个特点可知，在 整个炉罐内以工件表面存在的活性氨原子壤多，而且还不容易发生还原成氨气的合成 反应，始终有足够的活性氮原子供渗氮之用。 有脉冲效果。高频感应加热渗氮一般都是间歇式通断电，因此整个渗氮过程 的温度和炉压都具有脉冲性，在一定程度上产生脉冲渗氮的效果，独具特点。 有磁场渗氮的特点。整个渗氮过程都是在交变磁场中完成的，磁场磁氨工艺 能显著促进渗氮过程和消除渗层的脆性。 感应加热渗氮保温结束后可以采用风冷加快冷却速度，有利于缩短生产周期 和降低渗氮层脆性。 ( 2 ) 感应氮化的加速原因吲 工件在高频电流交变磁场中氮化过程非常迅速，有以下。些原因。 因为和大多数其他工艺不同，氮化是在钢的居里点温度以下进行的，所以吸取了 关于铁磁体的磁滞伸缩现象的概念来解释氮化加速的原因。加速的原因可能是高频电 流加热势表面层的温度梯度高频电流的特殊影响以及发电机通断电时的温度波动。还 有很多研究者认为用氨在高频电流加热时，在热的钢件表面或其附近直接发牛分解的 特殊条件来解释氮化加速。 ( 3 ) 感应加热气体氮化的前景 1 ，1 4 柱塞偶件的半工业化感应加热氮化实验设备 f i g 1 1 4p u m pe l e m e n ts e m i i n d u s t r i a li n d u c t i o nh e a t i n gn i t r i d i n ge q u i p m e n t 1 输入氨气的管道2 石棉水泥管3 夹具4 石棉水泥管5 柱塞 6 感应圈7 流量计8 金属外壳9 氨分解计1 0 氨气排出管1 1 检流计 比较短的时间( 5 h 以下) 内出现