渗氮、渗碳工艺与操作过程

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。

○1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）；

○2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；

○3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；

○4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。

○5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，○1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。

○2二段渗氮，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℃；

○3三段渗氮，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○1会阻碍氮原子扩散；○2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为1：200左右。

在加氯化铵做催渗剂后，由于HCL会与氨在排气管中重新化合成NH4CL，而管道的温度低于氯化铵的分解温度（300℃），所以排气管容易为氯化铵的粉末结晶所堵塞，必须注意经常清除。

在渗氮罐中加入氯化铵，不仅有助于不锈耐热钢的渗氮过程，而且也可以作为其它钢渗氮过程中的催化剂。主要是因为氯化铵分解出来的氯化氢可以腐蚀掉钢表面的氧化膜，减少氮原子渗入的阻力，从而加快渗氮过程，显著缩短渗入时间。

加氯化铵的渗氮处理常称为洁净渗氮或催化渗氮。