采煤機掘進機內齒圈滲氮處理及工藝


        滲氮又稱氮化，指使氮原子滲入鋼鐵工件表層內的化學熱處理工藝，其目的是提高零件表面硬度和耐磨性，以及提高疲勞強度和抗腐蝕性。它是利用氨氣在加熱時分解出活性氮原子，被零件吸收后在其表面形成氮化層，同時向心部擴散。氮化通常利用專門設備或井式滲氮爐來進行。氣體滲氮在1923年左右，由德國人Ｆｒｙ首度研究發展并加以工業化，目前滲氮從理論到工藝都得到迅速發展并日趨完善，適用的材料和工件也日益擴大。由于經滲氮處理的制品具有優異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性、耐高溫性、抗咬合性、抗大氣和過熱蒸汽腐蝕能力、抗回火軟化能力，并降低缺口敏感性，與滲碳工藝相比，滲氮溫度比較低，因而工件畸變小，已成為重要的化學熱處理工藝之一，廣泛應用于機械、冶金和礦山等行業的齒輪、凸輪、曲軸、工具、冷作模具、熱作模具等零件和產品的表面處理。

一、氮化常用材料    
　　傳統的合金鋼材料中的鋁、鉻、釩及鉬元素在滲氮過程中，與初生態的氮原子接觸時，就能生成安定的氮化物，尤其是鉬元素，不僅是生成氮化物元素，還能降低在滲氮時所產生的脆性。其他合金鋼中的元素，如鎳、銅、硅、錳等，對滲氮特性并無多大的幫助。一般而言，如果鋼料中含有一種或多種的氮化物生成元素，氮化后的效果比較良好。其中鋁是最強的氮化物元素，含有0.85～1.5%鋁的滲氮結果最佳，如果有足夠的鉻含量，亦可得到很好的效果，沒有含合金的碳鋼，因其生成的滲氮層很脆，容易剝落，不適合作為滲氮鋼。

二、滲氮過程控制
　　1.滲氮前的零件表面清洗
　　通常使用氣體去油法去油后立刻滲氮。

　　2.排除滲氮爐中的空氣      
　　將被處理零件置于滲氮爐中，并將爐蓋密封后即可加熱，但加熱至150℃以前須作排除爐內空氣工作。排除爐內空氣的主要目的是使參與滲氮處理的氣體，只有氨氣和氮氣兩種氣體，防止氨氣分解時與空氣接觸而發生爆炸性氣體，及防止被處理零件及支架的表面氧化。

　　3.氨的分解率  
　　滲氮是其它合金元素與初生態的氮接觸而進行（初生態氮的產生，由氨氣與加熱中的零件接觸時零件本身成為觸媒而促進氨的分解），雖然在各種分解率的氨氣下，皆可滲氮，但一般都采用15～30%的分解率，并按滲氮所需厚度保持4～10小時，處理溫度保持在520℃左右。

　　4.冷卻    
　　大部份的工業用滲氮爐都有熱交換機，在滲氮工作完成后冷卻加熱爐及被處理零件。即滲氮完成后，將加熱電源關閉，使爐溫降低約50℃，然后將氨的流量增加一倍后開啟熱交換機，此時須注意確認爐內壓力為正壓。等候導入爐中的氨氣安定后，即可減少氨的流量至保持爐內正壓為止，當爐溫下降至150℃以下時，方可啟開爐蓋。

三、滲氮工藝路線   
　　鍛造退（正）火粗加工（調質處理）精加工磨或研磨滲氮

　　備注：由于滲氮層較薄，在要求有較高強度的心部組織時，需先進行調質熱處理，獲得回火索氏體，提高心部機械性能和氮化層質量

四、常用滲氮方式
　　1.氣體滲氮  
　　氣體滲氮一般以提高金屬的耐磨性為主要目的，因此需要獲得高的表面硬度。滲氮后工件表面硬度可達HV850～1200。氣體參氮可采用一般滲氮法（即等溫滲氮）或多段（二段、三段）滲氮法。前者是在整個滲氮過程中滲氮溫度和氨氣分解率保持不變，溫度一般在480～520℃之間，氨氣分解率為15～30%，保溫時間近80小時。這種工藝適用于滲層淺、畸變要求嚴、硬度要求高的零件，但處理時間過長。多段滲氮是在整個滲氮過程中按不同階段分別采用不同溫度、不同氨分解率、不同保溫時間進行滲氮和擴散。整個滲氮時間可以縮短到近50小時，能獲得較深的滲層，但這樣滲氮溫度較高，畸變較大。

　　還有以抗蝕為目的的氣體滲氮，滲氮溫度在550～700℃之間，保溫0.5～3小時，氨分解率為35～70%，工件表層可獲得化學穩定性高的化合物層，防止工件受濕空氣、過熱蒸汽、氣體燃燒產物等的腐蝕。

　　2.離子滲氮    
　　又稱輝光滲氮，是利用輝光放電原理進行的。把金屬工件作為陰極放入含氮介質的負壓容器中，通電后介質中的氮氫原子被電離，在陰陽極之間形成等離子區，在等離子區強電場作用下，氮和氫的正離子以高速向工件表面轟擊，離子的高動能轉變為熱能，加熱工件表面至所需溫度。由于離子的轟擊，工件表面產生原子濺射，因而得到凈化，同時由于吸附和擴散作用，氮遂滲入工件表面。

　　離子滲氮最重要的特點之一是可以通過控制滲氮氣氛的組成、氣壓、電參數、溫度等因素來控制表面化合物層（俗稱白亮層）的結構和擴散層組織，從而滿足零件的服役條件和對性能的要求。

　　3.氮碳共滲   
　　又稱軟氮化或低溫碳氮共滲，即在鐵—氮共析轉變溫度以下，使工件表面在主要滲入氮的同時也滲入碳，碳滲入后形成的微細碳化物能促進氮的擴散，加快高氮化合物的形成，這些高氮化合物反過來又能提高碳的溶解度，碳氮原子相互促進便加快了滲入速度。此外，碳在氮化物中還能降低脆性。

　　常用的氮碳共滲方法有液體法和氣體法，處理溫度530～570℃，保溫時間1～3小時。早期的液體鹽浴用氰鹽，以后又出現多種鹽浴配方。常用的有兩種：中性鹽通氨氣和以尿素加碳酸鹽為主的鹽，但這些反應產物仍有毒。氣體介質主要有：吸熱式或放熱式氣體加氨氣，尿素熱分解氣，滴注含碳、氮的有機溶劑，如甲酰胺、三乙醇胺等。

五、常見滲氮缺陷及其原因
　　1.硬度偏低  
　　生產實踐中，工件滲氮后其表面硬度有時達不到工藝規定的要求，輕者可以返工，重者則造成報廢。

　　造成硬度偏低的原因通常有：
　　設備方面：如系統漏氣造成氧化。
　　材料方面：如材料選擇不合理。
　　前期熱處理：如基體硬度太低，表面脫碳嚴重等。
　　工件預處理不徹底：如進爐前的清潔方式及清潔度。
　　工藝方面：如滲氮溫度過高或過低，時間短或氮濃度不足等等。

　　2.硬度和滲層不均勻 
　　主要原因有：
　　裝爐方式不合理。
　　氣壓調節不當。
　　滲氮處理期間溫度不均勻。
　　爐內氣流不合理。

　　3.滲氮后零件變形過大 
　　變形是難以避免的，對易變形件，采取以下措施，有利于減小變形：
　　滲氮前應進行穩定化處理。
　　滲氮過程中的升、降溫速度應緩慢。
　　保溫階段盡量使工件各處的溫度均勻一致，對變形要求嚴格的工件，在工藝范圍內，盡可能采用較低的氮化溫度。

　　4.外觀顏色有差別
　　不同材質的零件經滲氮處理后表面顏色是略有區別的，零件出爐后首先用肉眼檢查外觀質量，鋼件經滲氮處理后表面通常呈銀灰（藍黑色）色或暗灰色（藍黑色），鈦及鈦合金件表面應呈金黃色。

　　5.脈狀氮化物
　　氮化（特別是離子氮化）易出現脈狀氮化物，即擴散層與表面平行走向呈白色波紋狀的氮化物。其形成機理尚無定論，一般認為與合金元素在晶界偏聚及氮原子的擴散有關。因此，控制合金元素偏聚的措施均有利于減輕脈狀氮化物的形成。工藝參數方面，滲氮溫度越高，保溫時間越長，越易促進脈狀組織的形成，如工件的棱角處，因滲氮溫度相對較高，脈狀組織比其它部位嚴重得多。