真空滲氮

真空滲氮工藝指向真空爐中通入氨氣，可對工件進(jìn)行真空滲氮，其方式類似于脈沖式真空滲碳，即工件裝人真空爐后開始抽氣，當(dāng)真空度達(dá)到設(shè)定值后，爐子通電升溫，同時抽真空，以保持爐子的真空度。爐溫達(dá)到滲氮溫度時，保溫一段時間，其作用是凈化工件表面和透燒。其后停止抽真空并向爐內(nèi)通人滲氮氣體，使?fàn)t壓升高至一定值，保持一段時間，之后再抽真空并保持段時間，再通入滲氮氣體; 如此，反復(fù)進(jìn)行多次，直到滲氮層深達(dá)到要求為止。在此全過程中爐溫保持不變。

例如，使用如圖1所示裝置，對38CrMoAI、3Cr2W8V 鋼制試件進(jìn)行了真空滲氮。試件裝爐后首先將爐子抽真空至1.33Pa,升溫至530℃或550℃滲氮溫度，保溫30min,以凈化試件表面和透燒。之后關(guān)閉真空泵并向爐子內(nèi)通人氨氣，壓力達(dá)0.4~0.6MPa,保持段時間，再抽真空至1.33Pa；此后交替進(jìn)行“通氨-抽真空”，直至滲氮層深度達(dá)到要求，再爐冷至300℃出爐。

2100433B

真空滲氮是使用真空爐對鋼鐵零件進(jìn)行整體加熱、充入少量氣體，在低壓狀態(tài)下產(chǎn)生活性氮原子滲入并向鋼中擴散而實現(xiàn)硬化的；而離子滲氮是靠暉光放電產(chǎn)生的活性N離子轟擊并僅加熱鋼鐵零件表面，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成核化物實現(xiàn)硬化的。真空滲氛時，將真空爐排氣至較高真空度0.133Pa（1×10-3Torr）后，將工件升至，530～560℃，同時送入以氨氣為主的，含有活性物質(zhì)的多種復(fù)合氣體，并對各種氣體的送入量進(jìn)行精確控制，爐壓控制在0.667Pa（5Torr），保溫3～5h后，用爐內(nèi)惰性氣體進(jìn)行快速冷卻。不同的材質(zhì)，經(jīng)此處理后可得到滲層深為20～80μm、硬度為600～1500HV的硬化層。

真空滲氮有人稱為真空排氣式氮碳共滲，其特點是通過真空技術(shù)，使金屬表面活性化和清凈化。在加熱、保溫、冷卻的整個熱處理過程中，不純的微量氣體被排出，含活性物質(zhì)的純凈復(fù)合氣體被送入，使表面層相結(jié)構(gòu)的調(diào)整和控制、質(zhì)量的改善、效率的提高成為可能。經(jīng)X射線衍射分析證實，真空滲氮處理后，滲層中的化合物層是ε單相組織，沒有其他脆性相（如Fe3C、Fe3O4）存在，所以硬度高，韌性好，分布也好?！鞍讓印眴蜗唳呕衔飳涌蛇_(dá)到的硬度和材質(zhì)成分有關(guān)。材質(zhì)中含Cr量越高，硬度也呈增加趨勢。Cr13%時，硬度可達(dá)到1200HV；含Cr18%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，余同）時，硬度可達(dá) 1500HV；含Cr25%時，硬度可達(dá)1700HV。無脆性相的單相ε化合物層的耐磨性比氣體氮碳共滲組織的耐磨性高，抗摩擦燒傷、抗熱膠合、抗熔敷、抗熔損性能都很優(yōu)異。但該“白層”的存在對有些模具和零件也有不利之處，易使鍛模在鍛造初期引起龜裂，焊接修補時易生成針孔。真空滲氮還有一個優(yōu)點，就是通過對送入爐內(nèi)的含活化物質(zhì)的復(fù)合氣體的種類和量的控制，可以得到幾乎沒有化合物層（白層），而只有擴散層的組織。其原因可能是在真空爐排氣至 0.l33Pa（1×10-3Torr）后形成的，另一個原因是帶有活性物質(zhì)的復(fù)合氣體在短時間內(nèi)向鋼中擴散形成的組織。這種組織的優(yōu)點是耐熱沖擊性、抗龜裂性能優(yōu)異。因而對實施高溫回火的熱作模具，如用高速鋼或4Cr4MoSiV（H13）鋼制模具可以得到表面硬度高、耐磨性好、耐熱沖擊性好、抗龜裂而又有韌性的綜合性能；但僅有擴散層組織時，模具的抗咬合性、耐熔敷、熔損性能不夠好。由于模具或機械零件的服役條件和對性能的要求不一，在進(jìn)行表面熱處理時，必需調(diào)整表面層的組織和性能。真空滲氮除應(yīng)用于工模具外，對提高精密齒輪和要求耐磨耐蝕的機械零件以及彈簧等的性能都有明顯效果，可接受處理的材質(zhì)也比較廣泛。

應(yīng)當(dāng)指出，適宜于滲氮的鋼很多，為了獲得最好的表面層性能和 心部性能，根據(jù)不同需要選擇不同的鋼號，常用滲氮鋼的性能及 用途見表1。

38CrMoAl鋼

38CrMoAl鋼是常用的典型滲氮用鋼，其中鋁與氮有極大的 親和力，是形成氮化物，提高滲氮層強度、硬度的主要合金元 素。AlN很穩(wěn)定，到約1000℃的溫度在鋼中不發(fā)生溶解。由于鋁 的作用使鋼具有良好的滲氮性能，此鋼經(jīng)過滲氮后表面硬度高達(dá) 1100～1200HV（相當(dāng)于67～72HRC）。鋼中的鉻、鉬也能形成氮 化物，提高滲層硬度，還能提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，消除 因含鋁造成的晶粒粗大，提高鋼的強度和韌度。此外，鉬還有消 除鋼的回火脆性的作用。

38CrMoAlA鋼

38CrMoAlA鋼的淬透性并不高，油淬時其臨界直徑為30mm 左右。厚度在50mm以下的，可采用油淬; 厚度超過50mm的， 多采用水淬油冷。38CrMoAlA鋼的脫碳傾向較嚴(yán)重，若表面脫碳 層沒有除盡，滲氮時易在滲氮層表面形成一種針狀氮化物，不僅 使?jié)B氮層硬度降低，也使?jié)B氮層變脆。含鋁高的鋼，鋼液黏性 大，冶金質(zhì)量難控制，鋼材易出現(xiàn)偏析、夾雜、發(fā)紋、巖石狀斷 口及層狀組織等缺陷。38CrMoAlA鋼的化學(xué)成分及熱加工規(guī)范見 表8-5。

滲氮的目的是為了提高結(jié)構(gòu)件、工具、模具的硬度、耐磨性 以及疲勞壽命，提高工件在腐蝕介質(zhì)環(huán)境的耐蝕性。滲氮鋼種的 含碳量包括了從低碳到高碳的范圍，它們可以是碳鋼也可以是合 金鋼。如果用碳鋼進(jìn)行滲氮，形成穩(wěn)定性不高的Fe₄N和Fe₂N， 溫度稍高，就容易聚集粗化，表面不可能得到更高的硬度，并且 其心部也不能具有更高的強度和韌性。為了在表面得到高硬度和 高耐磨性，同時獲得強而韌的心部組織，必須向鋼中加入一方面 能與氮形成穩(wěn)定的氮化物，另外，還能強化心部的合金元素，如 Al、Ti、V、W、Mo、Cr等，均能和氮形成穩(wěn)定的化合物。其中 Cr、W、Mo、V，還可以改善鋼的組織，提高鋼的強度和韌性。