不銹鋼氣體滲氮熱處理工藝的研究

劉澎濤

摘要：滲氮的目的是為了提高鋼制件的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度及抗腐蝕能力，因而被廣泛用于動(dòng)力機(jī)器制造工業(yè)。本文以3Cr13材料滑板為例，對不銹鋼各種滲氮方法進(jìn)行論述，總結(jié)出一種切實(shí)可行的不銹鋼氣體滲氮法。

關(guān)鍵詞：不銹鋼3Cr13、滲氮

前言：

不銹鋼滲氮主要是用來提高表面硬度和耐磨性能，氮化后其抗蝕性能和熱穩(wěn)定性反而比基體有所降低。因此對不銹鋼零件只有要求高硬度、耐磨的情況下，才進(jìn)行滲氮處理。而對不需要的高硬度、耐磨的表面，應(yīng)盡可能采取措施進(jìn)行保護(hù)。

不銹鋼滲氮的硬度、滲氮層深度及沿層深的顯微硬度分布曲線大致相同。其相結(jié)構(gòu)為表面ε相（合金碳氮化合物），往里為ε加γ相，再往里γ'相，最后為擴(kuò)散層，其為在α相基底上分布著彌散合金碳氮化合物。鋼中含碳量提高，促進(jìn)碳氮化合物的形成。但不銹鋼表面存在一層極薄而致密的鈍化膜，阻礙著對氮原子的吸收，若不把鈍化膜去除，則得不到滲氮層。所以不銹鋼的滲氮工藝與普通結(jié)構(gòu)鋼的顯著差別是在臨滲氮前必須進(jìn)行特殊的去鈍化膜處理。

（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

材料選用3Cr13 滑板，基本尺寸為550×160×50 mm，精加工后單重37kg。化學(xué)成分見表1。技術(shù)要求：滲氮層硬度HV≥500，滲氮層深0.2-0.4mm。

設(shè)備選用井式電滲氮爐，規(guī)格及參數(shù)見表2。

工藝要求：通用滲氮工藝（滲氮溫度為500-520℃，分解率采用25-40%）;改進(jìn)后的滲氮工藝（滲氮溫度為550-570℃，分解率采用30-50%）。

（二）對比實(shí)驗(yàn)

1.噴砂后滲氮

滲氮前滑板表面進(jìn)行噴砂處理，用壓縮空氣吹凈灰塵;然后執(zhí)行通用滲氮工藝，進(jìn)行滲氮處理。具體檢查結(jié)果見表3。

結(jié)果分析：滑板的鈍化膜去除效果不好或去除后又重新生成氧化膜，其表面沒有滲氮層。

2.磷化、酸洗后滲氮

將滑板浸泡在1%（體積）正磷酸中5小時(shí)，將滑板表面鈍化膜破壞，形成多孔疏松的磷化膜，然后用水沖洗、擦干。酸洗后迅速入爐執(zhí)行通用滲氮工藝。滑板出爐后表面硬度為HV400左右，比基體硬度略高，滲氮層深0.1-0.15mm。

酸洗后滲氮效果不理想，滲氮層深過淺。

鐵表面對氮原子的吸收能力決定于溫度、表面狀態(tài)和鋼的化學(xué)成分;滲氮溫度愈高，溶入于鐵表面晶體點(diǎn)陣的幾率愈大，為增加滲層深度，減少滲氮時(shí)間，適當(dāng)提高了滲氮溫度。滲氮溫度一定時(shí)，滲層深度隨時(shí)間的變化服從擴(kuò)散定律，滲氮時(shí)間開始時(shí)硬度隨時(shí)間增加而急劇提高，深度也增長的很快，但延長到一定時(shí)間后，時(shí)間對硬度實(shí)際上沒有影響，滲層進(jìn)展的也極緩慢，超過100小時(shí)，幾乎慢到停止加深的狀態(tài)。因此改進(jìn)后滲氮工藝只提高了氮化溫度，氮化時(shí)間沒變。

滑板現(xiàn)場酸洗后迅速入滲氮爐，執(zhí)行改進(jìn)后滲氮工藝，滑板出爐后，表面硬度為HV410左右，滲氮層深0.2-0.25mm，檢查滑板表面硬度不均，最高為HV490，最低為滑板調(diào)質(zhì)熱處理后的基體硬度。說明提高滲氮溫度滑板硬度基本不變，滲氮層增加也不明顯，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期。

3.加NH4Cl滲氮

采用3Cr13 滑板滲氮時(shí)加NHCl去除鈍化膜的方法。由于NHCl在300℃時(shí)就全部分解，產(chǎn)生氯化氫氣體，化學(xué)性很強(qiáng)。當(dāng)有微量水蒸汽存在的條件下，它就能與幾乎所有的金屬和金屬氧化物起化合作用，形成金屬氯化物，而金屬氯化物中的氯又易被氨氣分解時(shí)產(chǎn)生的活性氮原子所置換形成氮化物。

置換反應(yīng)的結(jié)果破壞了金屬表面的鈍化膜和其它氧化污物，加速了氮原子在鋼表面的吸收過程。

四件滑板，其中兩件（1、2）入爐前酸洗，兩件（3、4）不酸洗，在φ氮化爐中執(zhí)行改進(jìn)后滲氮工藝，進(jìn)行氮化處理。由于NHCl在300℃時(shí)就分解，因而直接加入潔凈或活化表面的作用是有限的，而且氯化銨分解在低于300℃的情況下，是個(gè)可逆反應(yīng)過程。為防止其分解過快，將NHCl與石英砂按比例1：200混合均勻，裝在開口鐵皮盒放置在氮化爐爐底。NHCl加入量根據(jù)氮化爐體積及工件的表面積確定，暫定加入量為0.15kg/m。

滑板出爐后，表面無麻點(diǎn)，排氣口無白色氯化銨結(jié)晶，說明NHCl的加入量在中下限，如加入量多NH4Cl將重新結(jié)晶，分布在排氣口處，堵塞管道，使其作用極大地受到限制。檢查結(jié)果見表4

結(jié)果分析：3Cr13 滑板滲氮時(shí)加NHCl去除鈍化膜的方法效果較好，氮化效果與滲氮前工件是否酸洗無關(guān)，其操作方法也比較實(shí)用;

4. 涂氯化鈦氮化法

TiCl不像NHCl加熱后快速分解，在滲氮過程中能夠持續(xù)有效去除鈍化膜。

四件滑板，其中兩件（5、6）入爐前表面涂覆TiCl，兩件（7、8）不涂，在滲氮爐中執(zhí)行改進(jìn)后的滲氮工藝;將0.1kgNHCl與石英砂按比例1：200混合物放置在滲氮爐底。滑板滲氮后檢查結(jié)果見表5。

結(jié)果分析：3Cr13 滑板表面涂覆氯化鈦，氮化時(shí)加NH4Cl后去除鈍化膜的方法效果最好，其操作方法也簡單實(shí)用;

（三）結(jié)論

1、實(shí)際生產(chǎn)中，3Cr13 滑板滲氮最佳工藝方法為工件表面涂覆氯化鈦，氮化時(shí)加NH4Cl滲氮法，可以省去滲氮前去除鈍化膜工序。

2、3Cr13 滑板滲氮溫度為550-570℃，分解率采用30-50%較為合適。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：（1985，12-），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，本科學(xué)歷，職稱：中級工程師，中船重工龍江廣瀚燃?xì)廨啓C(jī)有限公司