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材料、装炉量和氨分解率对气体渗氮效果的影响

笔者结合多年的生产实践，总结了工件材料、装炉量和氨分解率等因素对气体渗氮效果的影响，并且为保证渗氮质量提出了相应的措施。

1气体渗氮的材料选择

传统气体渗氮和离子渗氮一直将38CrMoAl钢作为渗氮专用钢。如今这一观念已经受到生产实践和渗氮工艺发展的冲击，38CrMoAl钢并不是渗氮用钢的最佳选择。

表1所列数据表明，同等条件下，38CrMoAl钢渗氮的最大优势是硬度高，但其渗氮速度远不如40Cr、42CrMo、35CrMoV、20CrMnTi等钢材。38CrMoAl钢渗氮不仅渗速慢，而且脆性大，难以控制。而40Cr、42CrMo、35CrMoV等不含Al的合金结构钢，渗氮不但能获得渗层与硬度的较佳配合，渗速较38CrMoAl钢快，而且渗层一般没有脆性或脆性易于控制。

表1几种材料渗氮效果比较(生产原始记录)

认为V、Ti、Mo和Cr能显著提高氮在 相中的溶解度并能形成这些元素的氮化物；Al和Si不能改变氮在 相中的溶解度冰粥机，渗氮时也不能形成氮化物。内渗印花机氮层(扩散层)的强化主要由于析出合金元素的氮化物提供，合金元素与氮的亲合力按如下顺序递降：Zr、Ti、Ta、Al、V、Cr、Mo、W、Mn、Fe。常规合金钢元素中，如果排除Al元素，含Ti、V、Cr、Mo的合金钢应是较好的渗氮用钢。有资料表明最高的耐磨性并不相应于最高的硬度。38CrMoAl和40Cr钢渗氮后相比，尽管40Cr钢渗氮层硬度低得多，但耐磨性却比38CrMoAl钢高得多。因此选用38CrMoAl钢渗氮不是最恰当的。38CrMoAl钢渗氮脆性高，而且冶金和热处理都比较困难。V元素对提高渗氮层的耐磨性有重要贡献。V还能改善饱和氮沿渗氮层均匀分布，形成稳定的氮化物，避免了饱和氮的富集而形成脆性层。因此新型渗氮钢中V是最有前途的元素。生产实践也证明含V的合金钢渗氮效果很好。如35CrMoV钢气体渗氮18h，渗层可达0.50mm，硬度达698HV10以上。工厂常用的结构件如齿轮、轴类选用35CrMoV、45CrMoV、42CrMo、35CrMo和40Cr钢渗氮，无论是从经济角度，还是从冶金和热处理工艺性能来考虑都是较合理的。

2装炉量与渗氮效果

渗氮时的装炉量受诸如氨分解率、进气压力等工艺参数的控制，而且直接影响渗氮效果。

我厂渗氮炉罐的有效工作尺寸为 700mm 3200mm，按使用尺寸为 600mm 2800mm计算，装炉量约为6200kg，将这种计算装炉量设定为WJ。在实际生产中考虑工件之间，工件与炉壁之间的间隙，炉内气氛流畅等因素，实际装炉量往往低于WJ，我们将这种实际装炉量设为Ws。

70年代末及80年代初，我厂渗氮零件仅限于拉丝鼓轮、型料挤出机螺杆和螺筒等零件，零件小，批量少，每次装炉量约为400～500kg。即WS为WJ的1／15～1／13。采用两段44h渗氮工艺渗氮，操作过程中发现氨分解率很难控制，氨进气压力高达80～180mm油柱( 8mm)时，氨分解率仍然很高。渗氮效果很差，渗层一般为0.30mm～0.40mm，而且脆性很高。80年代末及90年代初，我厂40Cr钢的机床齿轮要求经常规调质处理后，再行渗氮处理，以进一步提高齿轮质量。随着生产规模的扩大，38CrMoAl、40Cr钢齿轮的批量也增大，每最近次渗氮装炉量为800～1200kg，即WS约为WJ的1／8～1／5。采用两段24h渗氮，氨进气压力第1阶段通常为30～50mm油柱，第2阶段通常为20～30mm油柱，发现氨分解率很容易控制到工艺要求的范围，渗氮效果也很好，渗层可达到0.50mm左右，硬度达980HV10以上，脆性＜2级。

1997年编号为的一炉渗氮装炉量为407kg，即WS约为WJ的1／15，采用同样的两段24h渗氮工艺，渗氮第1阶段氨进气压力高达80～150mm油柱，第2阶段进气压力为110～170mm油柱，发现氨分解率很难控制到工艺要求范围内。装炉量与NH3进气压参数重复了70年代末和80年代初的数据，渗氮效果也很差，38CrMoAl钢渗氮层仅为0.30mm，硬度为1078HV10，脆性3级。因装炉量小，氨进气压力高，氨分解率难控制，影响渗氮效果的情况时有发生。

根据渗氮处理原始资料分析表明，装炉量影响渗氮效果。在渗氮工艺、设备一定的条件下，WS愈大，渗氮主要参数氨分解率易于控制，渗氮效果相对较好。笔者根据长期的生产实践和原始记录分析认为WS为WJ的1／5～1／3较合理。如果WS与WJ相近，则装炉量过大，说明工件的尺寸大，则渗氮工艺参数会发生较大变化，如渗氮时间需要延长。WS低于WJ的1／8，则会出现氨分解率难控制，渗氮效果差的情况。因此需要将实际装炉量视为影响渗氮效果的一个重要因素，合理装炉。

3氨分解率对渗速及脆性的影响

就38CrMoAl钢而言，氨分解率对渗层脆性有重要影响。氨分解率实质是炉罐内氮势的反映。氨分解率低，气氛氮势高，氨分解率高则气氛氮势低。据资料［2］介绍，常规两段气体渗氮不易产生脆性，但实际生产中因氨分解率控制不当，即使两段渗氮仍然会使脆性超差，并影响渗氮速度。

38CrMoAl钢中的Al元素对氮原子的亲合力特别强，在过低的氨分解率气氛中，即高氮势气氛中，活性氮原子很快富集于工件表面，在没有充分向工件内部扩散的打火机情况下，极易形成＋ 和 相的3层组织即白层［3］，当氮浓度＞11.4%，温度低于500℃则会产生 相，白层中一旦出现了 相，则渗层脆性很高。笔者根据长期的生产实践及分析原始记录认为，渗层脆性主要产生于渗氮的最初阶段。在升温阶段，当温度升至400～500℃范围时，氨开始分解，而分解率低，氮势高，此时工件温度也处于不均匀状态，氮原子富集于工件表面，难以向分档扩大是指传感器扩大器的1个部份参数工件内部扩散。由于炉内温度在500℃以下，聚积于工件表面的氮原子很快形成、＋ 相的白层并增厚，由于氮势很高，也极易形成 相，使白层脆性增高。活性氮原子在相中的扩散系数只有 相中的1／60～1／100，在 相中的扩散系数还要小，所以渗氮开始阶段极易形成脆性很高的白层。一旦形成了脆性白层，对后期氮项目达产后可为公司贡献收入10.15亿元原子的渗入与扩散就会起阻碍作用，降低渗氮速率。根据生产记录分析表明，渗氮保温前2～3h内氨分解率＜16%时，38CrMoAl钢渗氮层脆性明显升高，渗层深度明显降低。如表2所示。

表2渗氮最初阶段2～3h氨分解率对渗层、脆性的影响

注：渗氮钢38CrMoAl。工艺：第1阶段520℃ 12h，氨分解率18%～25%，第2段560℃ 12h，氨分解率40%～60%。

因此渗氮过程中，在温度为400～500℃范围内不得产生过低的氨分解率，而且第一阶段保温之前1h也不允许氨分解率＜16%。假山具体措施是在400～500℃范围尽可能调高氨进气压力，使氨不发生分解，或迅速调低氨压力，将氨分解率调高至16%以上；在第一阶段保温之前1h可适当调低氨压力，或临时升高炉内温度，调高氨分解率至工艺要求。