鋼材熱處理之：零流量工藝在真空滲氮爐中的應(yīng)用
滲氮又稱氮化，是指（在一定溫度下當(dāng)爐內(nèi)氣氛達(dá)到一定要求的情況下）將氮原子滲入到金屬工件表層，使其表面形成一種能夠提高零件表面硬度和表面耐磨性的一種化學(xué)熱處理工藝。氮化可以分為：氣體氮化、液體氮化和離子氮化。本文主要介紹一種新型氣體氮化工藝——零流量氣體滲氮。
根據(jù)不同工藝載體，氣體氮化可以分為：傳統(tǒng)氣體滲氮（100%NH3），可控氣體滲氮（NH3+DissNH3或NH3+N2）和零流量技術(shù)滲氮（100%NH3）。
1.傳統(tǒng)氣體滲氮工藝
傳統(tǒng)氣體滲氮工藝由德國(guó)AFRY在1923年所發(fā)表，將工件置于爐內(nèi)，在500～550℃時(shí)將氨氣通入到爐內(nèi)，保持20～100h，使氨氣分解為原子狀態(tài)的（N）和（H），是（N）和金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)滲氮處理，從而獲得工件表面的高硬度，良好的抗疲勞性能，提高耐腐蝕性。通常滲氮層的厚度為0.02～0.2mm，表面硬度能夠達(dá)到1000～1200HV。NH3分解率取決于流量的大小與溫度的高低而有所改變，流量愈大則分解度愈低，流量愈小則分解率愈高，溫度愈高分解率愈高，溫度愈低分解率亦愈低，NH3氣在570℃時(shí)熱分解如下：
NH3→〔N〕Fe+2/3H2
分解出來(lái)的N，隨而擴(kuò)散進(jìn)入鋼的表面。這種傳統(tǒng)的氣體滲氮工藝對(duì)于滲氮層深度的控制十分有限，而且由于通入的是100%氨氣，生成的滲氮層由e+g￠+a相疊加而成（見(jiàn)圖1）。通過(guò)多年的工業(yè)實(shí)踐，通常氮化表層的e+g￠相（通常極其厚且脆）在熱處理完成之后要被打磨掉，增加了額外的生產(chǎn)成本。
2.可控氣體滲氮工藝
可控氣體滲氮是在50～60年前推出，與傳統(tǒng)的通入100%氨氣的工藝相比呈現(xiàn)出很多的優(yōu)勢(shì)?？煽貧怏w滲氮工藝采用氨氣+裂解氨或氨氣+N2，氣體通過(guò)適當(dāng)?shù)谋壤M成和調(diào)節(jié)通入反應(yīng)室，可以得到所期望的滲氮層，這里包括e+g￠+a相，g￠+a相或a相，并且在一定區(qū)域可以得到希望的滲氮層厚度；滲氮層的組成由溫度T和氮?jiǎng)軰n兩個(gè)參數(shù)控制。圖2是兩種工藝氣體的工藝圖。由于滲氮層可以控制，可以避免滲氮層的缺陷產(chǎn)生。從而省略熱處理后e+g￠+a相滲氮層進(jìn)行打磨的工序，降低生產(chǎn)成本。然而，這種采用兩種成分氣體的滲氮工藝和傳統(tǒng)工藝一樣對(duì)氣體的消耗量也是相當(dāng)大的。
此外，這種工藝還存在其他的弊端。由于氨氣NH3+氮?dú)釴2的滲氮工藝存在氮化不平衡特性，使它比氨氣+裂解氨的滲氮工藝在滲氮層生成控制精度要差一些。但是，使用氨氣+裂解氨需要安裝氨氣裂解器，也會(huì)增加額外成本。
3.零流量滲氮工藝
零流量滲氮工藝是經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐開(kāi)創(chuàng)的一個(gè)新技術(shù)，所謂的零流量是指在可控滲氮過(guò)程中只使用氨氣一種工藝氣體。與氨氣+裂解氨或氨氣+氮?dú)獾墓に囅啾?，零流量更為?jiǎn)單。通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入氮化室氨氣的流量來(lái)控制氮化過(guò)程中的氮?jiǎng)軰n,零流量工藝獨(dú)特先進(jìn)性就在于氮化過(guò)程中在某一時(shí)刻進(jìn)入氮化室的氨氣流量為零，這一點(diǎn)擴(kuò)大了氮化室中氣氛成分的分解范圍，也就是增加了氮?jiǎng)軰n。
零流量簡(jiǎn)單控制原理就是通過(guò)氣體分析儀設(shè)定的目標(biāo)來(lái)控制氨氣注入閥周期性的開(kāi)關(guān)來(lái)維持氮化室內(nèi)需要的氣體成分，也就是氮?jiǎng)軰n的設(shè)定值。
零流量這個(gè)概念是基于實(shí)踐和理論而得出的，通過(guò)在試驗(yàn)室使用石英管氮化試驗(yàn)設(shè)備和在工廠使用帶有金屬殼體氮化室，并配有循環(huán)風(fēng)機(jī)的真空氮化爐中進(jìn)行試驗(yàn)。在兩種氮化環(huán)境中分別使用氨氣（零流量），氨氣+裂解氨和氨氣+氮?dú)馊N工藝氣體對(duì)樣件進(jìn)行氮化處理。
通過(guò)在這兩種試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)表明滲氮層的生長(zhǎng)速度只取決于滲氮室中的氣體成分或氮?jiǎng)軰n，它即與注入氮化室中的工藝氣體（氨氣、氨氣+裂解氨或氨氣+氮?dú)猓o(wú)關(guān)，也和氮化環(huán)境無(wú)關(guān)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也證明在真空氮化爐中進(jìn)行零流量滲氮過(guò)程中，周期性的切斷氨氣的注入，對(duì)滲氮層的生長(zhǎng)不會(huì)產(chǎn)生影響。
圖3是零流量滲氮工藝的工藝圖，從這張圖中可以反映出溫度、氨氣流量和氮?jiǎng)軰n的關(guān)系。工藝過(guò)程中有兩個(gè)階段：
第一階段，將一定量的氨氣通入到真空氮化爐，使氮化室內(nèi)的氣氛組成達(dá)到設(shè)定的一個(gè)值，從而氮?jiǎng)菀矔?huì)迅速升高。
第二階段，從圖中可以看到氮化過(guò)程中氨氣的流量周期性變?yōu)榱?，這是因?yàn)榈覂?nèi)的氣氛組成達(dá)到設(shè)定值后，氨氣控制閥就周期性自動(dòng)關(guān)閉。在這個(gè)階段，氨氣的注入量迅速下降從而導(dǎo)致氮?jiǎng)軰n減小，這是我們所希望的。因?yàn)榈獎(jiǎng)葜礙n通常采用分段控制，初期用高氮?jiǎng)?，增加表面含氮量，中后期降低氮?jiǎng)荩贡砻娓叩蛐牟繑U(kuò)散，減少表面高氮白層的厚度，避免形成網(wǎng)狀氮化物。
從這張圖中也能看出，相比于其他可控氣氛滲氮工藝，零流量工藝更為簡(jiǎn)單，只需在設(shè)備上安裝一個(gè)氨氣注入控制閥和氣體檢測(cè)儀器，通過(guò)檢測(cè)儀器來(lái)檢測(cè)滲氮室內(nèi)的氫分壓來(lái)控制氨氣注入的流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氮?jiǎng)軰n的控制和滲氮零件表面的氮化質(zhì)量，得到所希望的金相。
西科沃克公司在真空滲氮爐中分別試驗(yàn)了零流量、氨氣+裂解氨，在530℃時(shí)得出了氮?jiǎng)軰n和氣體消耗量的關(guān)系圖（見(jiàn)圖4）?？梢?jiàn)在獲得同一氮?jiǎng)輹r(shí)，零流量工藝對(duì)于氨氣的消耗量比氨氣+裂解氨要少很多，從而節(jié)約成本。
圖5是西科沃克公司在真空氮化爐中對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行零流量滲氮處理的檢測(cè)結(jié)果。滲氮層的深度既滿足了客戶的需求，而且硬度高于要求指標(biāo)。
4.結(jié)語(yǔ)
零流量工藝滲氮技術(shù)和可控氣氛滲氮技術(shù)（NH3+NH3diss.或者NH3+N2雙組分氣氛）相比能得到同樣質(zhì)量的氮化層，工藝過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)通入氮化室的氨氣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)氣氛組分，并能夠通過(guò)脈沖方式階段性關(guān)閉流量來(lái)達(dá)到和NH3+NH3diss.氣氛一樣的控制精度，而且零流量氮化工藝與可控氣氛滲氮技術(shù)相比顯示了其耗氣量低，且裝備簡(jiǎn)化，控制系統(tǒng)成本更低的優(yōu)點(diǎn)。在滲氮層生成控制方面，比可控氣氛滲氮更為容易。
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