氮化基本原理及操作指南

時間：2013-08-28 10:05:33 來源：作者：

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 一600 ℃ ），所分解的
活性氮原子向鋼的表面層滲透擴散而形成鐵氮合金，從而改變鋼件表面機械性能（增強耐磨性，增加硬度，提高耐蝕性等）和物理、化學性質(zhì)。3 、氮化過程：氮化共有三個過程：
( 1 ）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 →6H + 2 [ N 〕
( 2 ）吸收過程
鋼表面吸收氮原子，先溶解形成氮在Q 一Fe 中的飽和固溶體，然后再形成氮化物。
2mFe + 2 [ N 〕→2FemN
( 3 ）擴散過程
氮從表面飽和層向鋼內(nèi)層深處進行擴散，形成一定深度的氮化層。
二、工件如何進行氮化
1 、組織準備
    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）處理來作為預備熱處理。
2 、氣密性檢查
氮化前應(yīng)對加熱爐、氮化罐和整個氮化系統(tǒng)的管道接頭處進行氣密性檢查，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)過認真的打磨拋光（像鏡面一樣）及仔細的檢查，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，對于非氮化面要檢查防護鍍層是否完整。要氮化前清洗零件≤2 小時，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（N 今C03 ）沸騰的溶液中去油，一般在溶液中煮沸8 一10 分鐘，然后用清水反復洗滌。另外組織吹干、擦千。裝爐時，對于易變形零件，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
( 1 ）氨氣（液氨）：要求水、油總含量≤0 . 2 % ，氨（NH3 ）含量≥99 . 8 ％。( 2 ）保證氨的充足供應(yīng)量，以利氮化（每公斤液氨每小時可使工件表面積氮化15平方米）。
( 3 ）進行設(shè)備的漏氣檢查
氨氣混合在空氣中對人的健康有極大的危害，同時氨在空氣中分布過多時（空氣中混有10 一25%) ，一遇到火便會引起燃燒。故氮化房內(nèi)嚴禁吸煙。
( 4 ）檢查漏氣
① 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。
② 用鹽酸棒蘸，產(chǎn)生白色煙霧。③ 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。對于有風扇的氮化爐可將風扇打開，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 一15O0L / h ，使進氣壓力達到20 一100mmH2O（或200 一1000P ) ( U 型壓力計如何使用：把水注入U 型壓力計中，把爐蓋上爐氣接入U 型壓力計一個接口，爐內(nèi)有壓力就會形成一個水壓差，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。當罐內(nèi)空氣量< 5 ％左右或分解率為零時才允許升溫。這時可降低氨氣流量，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，對于不復雜的、變形要求不嚴的零件，升溫速度可不控制；對形狀較復雜、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。
    當護溫為450 ℃ 左右時，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，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 一10 ℃ 時或到溫初期，都應(yīng)校正溫度。氮化溫度以罐內(nèi)溫度為標準
2 、保溫
當?shù)迌?nèi)達到要求溫度時，氮化過程就進入保溫階段。根據(jù)氮化工藝規(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，當測得分解率在要求范圍時，記下此時的氨氣進氣和排氣壓力。在保溫過程中，應(yīng)盡量保持壓力不變，同時每隔半小時至一小時測量氨氣分解率一次。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)和風扇運轉(zhuǎn)是否正常；進氣及排氣壓力是否穩(wěn)定；火焰顏色、火焰長度及穩(wěn)定性。爐內(nèi)工作情況，通常由流量計、壓力計和冒泡瓶反映出來。
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，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，必須繼續(xù)通氨氣，保持爐罐有一定的正壓，防止空氣進入使零件表面產(chǎn)生氧化色。
對于一般零件，當罐內(nèi)溫度降到450 ℃ 以下時，可將爐門打開加速冷卻。對變形要求較嚴的零件，可隨爐降爐。當罐內(nèi)的溫度降到200 ℃ 及200 ℃ 以下時（視工件大小擺放），便可停風扇，斷絕供給氨氣。過一段時間然后打開爐蓋，取出零件及試樣，進行氮化層的質(zhì)量檢查，必要時檢查零件的變形量。
四、氮化操作應(yīng)注意的五個方面：
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 、注意鋼瓶內(nèi)存留的液氨量，以保證氮化的順利進行，稱重差數(shù)即為液氨的重量（正在氮化時，可用手在筒外壁測試，手感冷的位置線以下即為液氨儲量）。
3 、氨的分解率水測瓶（俗稱泡泡瓶）使用300 一400 次后，由于氨的影響，會使水測瓶壁發(fā)生白色乳狀細小粉末，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，否則會發(fā)脆。
五、操作中可能出現(xiàn)的問題與補救方法：
1 、氨流中斷，現(xiàn)象― 水測瓶停止冒出泡泡。
原因：( l ）干燥箱的干燥劑（吸水達到飽和）;
( 2 ）降壓器前段的管道為雜物所阻塞；
（3 ）或是呼料息的進氣端為雜物所阻塞•
2 、氮化罐及導管漏氣。
應(yīng)立即斷絕熱源，加大氨流量，使工件較快冷卻下來，至180℃左右出爐，如在發(fā)現(xiàn)漏氣的同時而氧化罐內(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 ℃ 左右這就很可能是把氮化罐內(nèi)的危險氣體排出去。
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（流量計閥），同時校正氮化罐內(nèi)的壓力。
    分解率為10 一40 ％時活性氮原子多，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52 ％以上，將產(chǎn)生脫氮作用，此時不僅活性氮原子數(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。氨分解率對滲氮層硬度與深度的影響，主要表現(xiàn)在滲氮初期幾個小時內(nèi)，如果早期的5 一10 小時以內(nèi)，以低的氨分解率（15 一30 % ）滲氮，隨后即使將分解率提高到60 ％以上保溫，對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，也可能是溫度計不正確，指示溫度較實際溫度高。
    ( 2 ）氨的分解率太高，也可能是溫度計不準確，指示溫度較實際溫度為低。如在氮化過程中溫度并未變動，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），或工廠因故障停電使爐子停止加熱時，仍繼續(xù)向爐罐通氨氣，修復供電后再升到規(guī)定溫度，并應(yīng)適當增加保溫時間。
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，位置不恰當；
( 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。

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