氮化基本原理及操作指南

1、氮化基本原理及操作指南(僅供參考)一、概論：1、氮化就是把氮滲入鋼件表面，形成富氮硬化層的化學(xué)熱處理過程。2、 氮化處理：氮化處理是利用氨在一定溫度下(500-600 C )，所分解的活性氮原子向鋼的表面層滲透擴(kuò)散而形成鐵氮合金，從而改變鋼件表面機(jī)械性能(增強(qiáng)耐磨性，增加硬度，提高耐蝕性等)和物理、化學(xué)性質(zhì)。3、氮化過程：氮化共有三個(gè)過程：氨的分解隨著溫度的升高，氨的分解程度加大，生成活性氮原子。2NH3 t 6H+2N(2) 吸收過程鋼表面吸收氮原子，先溶解形成氮在？?Fe中的飽和固溶體，然后再形成氮化物。2mFe+2N t2FemN(3) 擴(kuò)散過程氮從表面飽和層向鋼內(nèi)層深處進(jìn)行擴(kuò)散，形成一

2、定深度的氮化層。二、工件如何進(jìn)行氮化1、組織準(zhǔn)備氮化工件在氮化前，必須具有均勻一致的組織，否則氮化層質(zhì)量不高，通常都是采用調(diào) 質(zhì)、(淬火)處理來作為預(yù)備熱處理。2、氣密性檢查氮化前應(yīng)對(duì)加熱爐、氮化罐和整個(gè)氮化系統(tǒng)的管道接頭處進(jìn)行氣密性檢查，保證氨氣不漏和在管路中的暢通無阻。3、工件工作面的拋光清潔要求氮化的表面要經(jīng)過認(rèn)真的打磨拋光(像鏡面一樣)及仔細(xì)的檢查，氮化表面應(yīng)無油跡、銹蝕、尖角、毛刺、碰傷和洗滌不掉的臟物，對(duì)于非氮化面要檢查防護(hù)鍍層是否完整。要氮 化前清洗零件w 2小時(shí)，先用干凈棉紗擦凈油污，再用汽油、酒精或四氯化碳等清洗，也可 用稀鹽酸或10%碳酸鈉(Na2CO3)沸騰的溶液中去油，

3、 一般在溶液中煮沸 8 一 10分鐘，然后 用清水反復(fù)洗滌。另外組織吹干、擦干。裝爐時(shí)，對(duì)于易變形零件，如桿件，最好垂直吊掛 在罐中。4、防止工件局部氮化有些工件某些部位不需要氮化，可以用以下幾種方法加以防止。(1) 鍍金屬法a, b(略)(2) 涂料法a, b, c, d(略)5、通入氨氣前應(yīng)注意事項(xiàng)(1) 氨氣(液氨)：要求水、油總含量w 0.2%,氨(NH3)含量99.8%。(2) 保證氨的充足供應(yīng)量，以利氮化(每公斤液氨每小時(shí)可使工件表面積氮化15平方米)。(3) 進(jìn)行設(shè)備的漏氣檢查氨氣混合在空氣中對(duì)人的健康有極大的危害，同時(shí)氨在空氣中分布過多時(shí)(空氣中混有10-25%)，一遇到火便會(huì)

4、引起燃燒。故氮化房?jī)?nèi)嚴(yán)禁吸煙。(4) 檢查漏氣 用酚酞試紙浸濕后放在懷疑的漏氣處，試紙變?yōu)榧t色就證明漏氣現(xiàn)象。 用鹽酸棒蘸，產(chǎn)生白色煙霧。硫磺棒，產(chǎn)生白煙等方法。三、氮化過程的操作1、升溫用掛具將零件和試樣裝入罐中，封閉爐蓋。對(duì)于有風(fēng)扇的氮化爐可將風(fēng)扇打開，把氨氣瓶中液氨經(jīng)過減壓閥，通過氨柜（氨氣干燥柜）通入爐內(nèi)，流量在 500-1500L/h，使進(jìn)氣壓力達(dá)到20-100mmH20（或200-1000P）（U型壓力計(jì)如何使用：把水注入U(xiǎn)型壓力計(jì)中，把爐蓋上爐氣接入 U型壓力計(jì)一個(gè)接口，爐內(nèi)有壓力就會(huì)形成一個(gè)水壓差，其差值就是爐壓：毫 米水柱。用氨氣將氮化罐和管道中的空氣充分排出稀釋。當(dāng)罐內(nèi)空氣

5、量5%左右或分解率為零時(shí)才允許升溫。這時(shí)可降低氨氣流量，維持爐內(nèi)有一定的正壓，保證零件不被氧化即可。在升溫過程中，對(duì)于不復(fù)雜的、變形要求不嚴(yán)的零件，升溫速度可不控制；對(duì)形狀較復(fù)雜、易變形的零件，如大齒輪等，可采用階梯升溫方法，以減少零件的變形。當(dāng)護(hù)溫為450 C左右時(shí)，就要拉制升溫速度，不要太快，以免造成保溫初期超溫現(xiàn)象。同時(shí)，應(yīng)加大氨氣流量，使分解率控制在工藝要求的下限。這樣，到溫后分解率就會(huì)保持在要求的范圍內(nèi)，以便零件吸收氮原子，迅速提高表面層的氮濃度。在到溫前5 一 10C時(shí)或到溫初期，都應(yīng)校正溫度。氮化溫度以罐內(nèi)溫度為標(biāo)準(zhǔn)2、保溫當(dāng)?shù)迌?nèi)達(dá)到要求溫度時(shí)，氮化過程就進(jìn)入保溫階段。根據(jù)氮

6、化工藝規(guī)范，調(diào)節(jié)氨氣 流量，保持溫度和分解率的正確和穩(wěn)定。氮化工藝可根據(jù)情況采用等溫氮化、二段氮化或蘭段氮化。保溫初期，當(dāng)測(cè)得分解率在要求范圍時(shí)，記下此時(shí)的氨氣進(jìn)氣和排氣壓力。在保溫過程中，應(yīng)盡量保持壓力不變， 同時(shí)每隔半小時(shí)至一小時(shí)測(cè)量氨氣分解率一次。并將氨氣分解率及其相應(yīng)的氮化溫度、爐壓等一起記錄下來。此外，還要經(jīng)常觀察爐溫控制系統(tǒng)和風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常；進(jìn)氣及排氣壓力是否穩(wěn)定；火焰顏色、火焰長(zhǎng)度及穩(wěn)定性。爐內(nèi)工作情況，通常由流量計(jì)、壓力計(jì)和冒泡瓶反映出來。在操作過程中，若發(fā)現(xiàn)氮化罐和爐內(nèi)管道焊縫破裂漏氣時(shí)，要立即停電降溫，重新?lián)Q罐裝爐。3、冷卻保溫結(jié)束、停電降溫時(shí)，必須繼續(xù)通氨氣，保持爐罐有

7、一定的正壓，防止空氣進(jìn)入使零 件表面產(chǎn)生氧化色。對(duì)于一般零件，當(dāng)罐內(nèi)溫度降到450 C以下時(shí)，可將爐門打開加速冷卻。對(duì)變形要求較嚴(yán)的零件，可隨爐降爐。當(dāng)罐內(nèi)的溫度降到200C及200 C以下時(shí)（視工件大小擺放），便可停風(fēng)扇，斷絕供給氨氣。過一段時(shí)間然后打開爐蓋，取出零件及試樣，進(jìn)行氮化層的質(zhì)量檢查，必要時(shí)檢查零件的變形量。四、氮化操作應(yīng)注意的五個(gè)方面：1、在氮化過程中除了保證爐溫均勻一致和固定不變外，應(yīng)集中注意氨的分解率，而氨 的水柱高和流量只作為校正的參考。2、 注意鋼瓶?jī)?nèi)存留的液氨量，以保證氮化的順利進(jìn)行，稱重差數(shù)即為液氨的重量（正在氮化時(shí)，可用手在筒外壁測(cè)試，手感冷的位置線以下即為液氨儲(chǔ)

8、量）。3、 氨的分解率水測(cè)瓶（俗稱泡泡瓶）使用300-400次后，由于氨的影響，會(huì)使水測(cè)瓶壁發(fā) 生白色乳狀細(xì)小粉末，用10v0鹽酸溶液清洗，以保證分析器的清晰。4、 輸氨管、系統(tǒng)中管子的接頭處，應(yīng)用橡皮或錫做成墊圈。5、氮化罐內(nèi)的吊鉤等物如 用普通鋼作成的最好鍍鎳后再用，否則會(huì)發(fā)脆。五、操作中可能出現(xiàn)的問題與補(bǔ)救方法：1、氨流中斷，現(xiàn)象 一水測(cè)瓶停止冒出泡泡。原因：（I）干燥箱的干燥劑（吸水達(dá)到飽和）;(2) 降壓器前段的管道為雜物所阻塞；(3) 或是呼料息的進(jìn)氣端為雜物所阻塞？2、氮化罐及導(dǎo)管漏氣。應(yīng)立即斷絕熱源，加大氨流量，使工件較快冷卻下來，至180 C左右出爐，如在發(fā)現(xiàn)漏氣的同時(shí)而氧化

9、罐內(nèi)的溫度又突然升高， 氮化箱中發(fā)生了燃燒，必須盡可能地加大氨的壓力 和流量，至180 C左右這就很可能是把氮化罐內(nèi)的危險(xiǎn)氣體排出去。3、氨的分解率控制氨的分解率，主要調(diào)節(jié)減壓閥和針形閥(流量計(jì)閥)，同時(shí)校正氮化罐內(nèi)的壓力。分解率為10-40%時(shí)活性氮原子多，零件表面可大量吸收氮。分解率超過60%則氣氛中的氫含量高達(dá) 52%以上，將產(chǎn)生脫氮作用，此時(shí)不僅活性氮原子數(shù)量減小，而且大量氫分 子和氮分子停滯于零件表面附近，使氮原子不易為表面所吸收，從而使零件表面含氮量降低，滲氮層深度也減薄。氨分解率對(duì)滲氮層硬度與深度的影響，主要表現(xiàn)在滲氮初期幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，如果早期的5-10小時(shí)以內(nèi)，以低的氨分解率 (

10、15-30%)滲氮，隨后即使將分解率提高到60%以上保溫，對(duì)滲層深度與硬度影響仍舊不大。4、氨的分解率不正常(1) 氨的分解率太低的原因：氨的流量太大或流速太低，還可能是溫度太低，也可能是 溫度計(jì)不正確，指示溫度較實(shí)際溫度高。(2) 氨的分解率太高，也可能是溫度計(jì)不準(zhǔn)確，指示溫度較實(shí)際溫度為低。如在氮化過程中溫度并未變動(dòng)，而氨的分解率突然增高，則可能是鋼筒內(nèi)的液氨蒸發(fā)完畢，或因蒸發(fā)太快鋼筒內(nèi)凝霜，這時(shí)應(yīng)立即把備用的液氨筒(瓶)的閥門打開，使氨繼續(xù)供應(yīng)。凝霜的鋼筒用溫水沖開。如確系用完應(yīng)及時(shí)替換。5、氮化爐出了故障或電源突然中斷無論是爐子本身的故障(如電熱絲熔斷，燃燒器噴嘴阻塞等)，或工廠因故障

11、停電使?fàn)t子停止加熱時(shí)，仍繼續(xù)向爐罐通氨氣，修復(fù)供電后再升到規(guī)定溫度，并應(yīng)適當(dāng)增加保溫時(shí)間。6、硬度不高氮化工件硬度不高的原因，可能為：(1) 氮化溫度太高或者在氮化過程中溫度一度升高；(2) 氨的分解率太高，可能是溫度過高，也可能是氮化箱內(nèi)存在的觸媒”物而引起的；(3) 氮化層太淺，氮化時(shí)間太短；(4) 氮化鋼不合規(guī)定。7、產(chǎn)生不正常變形氮化工件變形的主要原因是氮化前沒有徹底消除加工應(yīng)力和工件本身構(gòu)造不對(duì)稱而造 成的；但是氮化溫度過高或采用分段氮化也是發(fā)生變形有因素(采取相應(yīng)措施)。8、氮化層硬度和深度不均勻(1) 罐內(nèi)氨氣分布不均勻(2) 爐內(nèi)各部分溫度不均勻；(3) 氮化箱太大工件裝的不好

12、，位置不恰當(dāng)；(4) 工件表面不清潔有污物存在。9、氮化層表面很脆或有裂紋這主要是組織粗大或者是預(yù)先熱處理，使工件表面脫碳，致使表面層含氮濃度過高而又突然過渡故使表面組織脆性增加大而產(chǎn)生裂紋甚至剝落以降低表面的氮濃度。氮化規(guī)范對(duì)氮化層質(zhì)量的影響1、溫度影響氮化后的硬度主要由氮化物的彌散度亦即它的尺寸、大小所決定的，氮化溫度愈高，氮化物的彌散度減小，氮化層的硬度隨之降低， 若溫度超過595C時(shí)，氮化物強(qiáng)烈的聚集長(zhǎng)大， 表面硬度顯著降低。故表面以獲得高的硬化層為目的氮化處理都不宜選擇太高的氮化溫度， 一般都在500 C左右，最高不超過 530C。如果氮化溫度選擇太低，氮化速度慢，要求一定 氮化深度

13、的時(shí)間勢(shì)必很長(zhǎng)。隨著氮化溫度的升高，氮原子擴(kuò)散速度顯著增大，使氮化層深度增加。為得到一定氮化 層深度，提高氮化溫度， 可以縮短氮化周期， 如二段氮化和三段氮化， 提高第二段的溫度就 是為了加快氮化速度。氮化層的重量增加反映氮原子的滲入量。氮化溫度對(duì)零件變形影響很大，在相同氮化時(shí)間內(nèi)，氮化溫度愈高，氨分解率愈大，活性氮原子愈多，并且容易向零件表層擴(kuò)散，因而氮化層愈深，變形也愈大，一般氮化后外徑尺寸都脹大0.010.03mm。2、時(shí)間影響氮化保溫時(shí)間主要決定氮原子滲入的深度，但是氮化時(shí)間的選擇與溫度有密切的關(guān)系。 為了得到同樣深度的氮化層，如果把氮化溫度提高一些，氮化時(shí)間就可大為縮短。3、氨的分解率的影響氨的分解率是氮化過程中的一個(gè)重要工藝參數(shù)，它表示在某一溫度下分解的N2、H2混合氣體占爐中氣體（主要指未分解的氨氣和已分解的N2、H2氣體三者的總和）體積的百分比，即表示爐內(nèi)氨的分解程度。分解率的大小取決于氮化溫度，氨氣的流量進(jìn)氣和排氣壓力（與排氣管插入液面下的深度有關(guān) ）以及零件的氮化表面有無催化劑等因素。（1）氮化溫度和氨的分解率合理范圍隨著氮化溫度的升高，分解率增大，氮化時(shí)一般把