加速渗氮的方法
摘要：从优化渗氮钢成分、在渗剂中添加催渗介质、优化渗氮工艺三个方面对加快渗氮的方法做了概括和归纳分析，并提出了几种快速渗氮新技术。
关键词：快速渗氮；工艺；分析
1 前言
渗氮不仅能提高零件的硬度、耐磨性和疲劳强度, 同时还使零件具有良好的红硬性、抗擦伤能力、变形小、尺寸稳定和工件表面呈压应力状态等优点。
但是它有生产周期长( 几十至上百小时)这一较大缺点。
因此, 热处理工作者一直在不断探索新方法, 以缩短渗氮生产周期。
近年来，热处理工作者在缩短渗氮周期方面开展了广泛的研究。
2 快速渗氮的研究思路
钢的渗氮过程和其他化学热处理过程一样，包括渗剂中活性氮的形成反应，渗剂中氮的扩一散，渗氮气氛/钢件相界面的反应，钢中氮的扩散及扩散过程中氮化物的形成等步骤。
提高渗氮速度主要是加速渗氮过程的一个或几个步骤。
为此可以从优化渗氮钢成分、在渗剂中添加催渗介质、优化渗氮工艺等方面进行。
3 优化渗氮钢成分
研究发现，金属氮化物的稳定性按如下顺序递增(以金属元素为主)：Ni→Co→Fe→Mn→Cr→Mo→V →Nb→Ti→Zr。
Ti、V、Mo、Nb和Cr等合金元素能显著提高氮在α- Fe中的溶解度,起强化渗氮层的作用。
特别是Ti和V的效果最佳，它们可形成氮化物,改善氮沿渗层分布的均匀性，加速渗氮过程并提高渗层耐磨性。
因此，采用这些含形成稳定氮化物的合金元素的快速渗氮钢能成倍缩短工艺周期。
[1]
4 在渗剂中添加催渗介质
为了缩短渗氮的时间，我们在渗氮介质中添加一种或几种起催渗作用的物质,即催渗渗氮。
稀土催渗是催渗渗氮的有效方法之一。
其优点在于渗氮过程中稀土不仅加速氨的分解及［N］的渗入，同时稀土本身也渗入钢中，并使所形成的氮化物形态由片状变为高度弥散的球状，弥散的程度越高，渗氮层的硬度越高，并且硬而不脆。
这是因为常规渗氮的渗层中很容易产生脉状组织，氮化物容易沿晶界聚集，尽管渗层表面硬度提高，往往同时使脆性增大。
此外，正因为稀土渗氮较常规渗氮硬度高，渗氮温度也可以相应地提高，渗氮速度也自然随之提高了。
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5 优化渗氮工艺
5.1 等温渗氮法、二段渗氮法、三段渗氮法、循环两段渗氮法[1]
等温渗氮是最初的渗氮方法，但此工艺时间过长、渗层浅，易产生脆性层。
因此发展了二段渗氮法、三段渗氮法来代替等温渗氮。
最近有人研究了一种循环两段渗氮新工艺,所谓“循环两段”渗氮是指进行2~4个周期较短的二段渗氮循环，这一新工艺已用于生产。
这种工艺渗氮初期采用较低的氨分解率和较低的渗氮温度,使零件表面氮含量提高，气氛与零件表面逐渐达到吸收与扩散的亚稳定平衡。
升高温度、加大氨分解率，目的是提高氮的扩散速度,强化氮在渗层中的扩散。
持续6 h后，零件表面氮含量降低。
此时渗层增长速度极小，不宜再延长保温时间，于是进入第2循环的第1段，即降低温度及氨分解率，恢复气氛的高氮势，并逐渐达到新的亚稳平衡。
随后又适时提高温度与氨分解率。
如此循环,就能充分利用强渗与扩散的高效率阶段。
5.2 预氧化多段变温快速渗氮[3]
预氧化多段变温快速渗氮工艺是在预氧化催渗和两段循环渗氮工艺基础上发展起来的。
渗氮速度主要取决于气氛的氮势、工件表面的吸氮能力和氮在工件内的扩散速度。
新工艺利用钢在570℃以下获得致密结构的氧化薄膜，在渗氮初期被还原,生成洁净的新生表面,呈现出很高的化学活性，产生大量能够吸附渗剂的活性位置，同时工件表面还可提供位错露头、台阶和各种表面缺陷的悬键，形成具有较低“势垒”的活性中心，使渗剂的被吸附几率和吸附量增加，促使其分子断键,在渗氮过程中起到了触媒的作用，从而使活性氮原子渗入过程加快。
5.3 离子渗氮
在全球,运用最广泛的这类处理是离子渗氮，它能大大缩短渗氮周期并能较充分地控制渗氮过程。
离子渗氮时，工件置于阴极盘上，炉壁为阳极，在阴阳极之间加以数百伏直流/ 脉冲偏压，炉内低压氮氢气体被电离，在电场的作用下以较大的能量轰击工件表面，产生大量的热量把工件加热到一定的温度，同时放电产生的活性氮在工件表面发生吸附、化合、扩散的物理化学反应，获得一定深度的改性层。
离子渗氮在批量处理形状简单的工件时是非常有效的，但其固有的缺点，如保持形状复杂工件处理时的温度均匀性，由于等离子体直接产生在工件上而引起的打弧、边缘效应、空心阴极效应、电场效应、温度测量和电源保护等，阻碍了离子渗氮技术的推广应用。
近年来出现了一些新的离子渗氮技术，如活性屏离子渗氮、等离子体源离子渗氮、离子注入离子渗氮等可以解决这一问题。
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5.4 高温渗氮
以提高表面硬度和强度为目的的常规气体渗氮工艺温度一般在520℃左右，高温渗氮是指采用更高的工艺温度（一般在540～580℃），在相同的氨分解率下，提高钢件表面的吸氮能力和氮原子在γ′相和γ相中的扩散速度，大幅缩短渗氮时间，提高渗氮效率。
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5.5 一些渗氮新工艺[6]
a、电接触加热渗氮
电接触加热渗氮是直接向工件通电加热，可使工件迅速达到渗氮温度，周围氨的温度仍低于分解温度,只有氨与工件表面接触时才能分解产生活性氮原子，这就减少了氨的分解，减轻了氨分解气体的阻碍作用,使活性氮原子保持高浓度和迅速被金属吸收并向内扩散。
渗氮工艺时间可缩短到一般炉内渗氮的1/5～1/8。
b、在磁场中渗氮
在磁场中渗氮也可加速渗氮过程，实验表明，在电磁强度为(25～30)×(1000/4π)A/m工频激磁磁场中进行渗氮，比一般纯氨氮化快2～3倍，且可有效地消除钢的脆性,显著提高其疲劳强度和耐磨性，磁场加速氮的原理，被认为是磁场作用，使钢的组织变得具有一定方向性，加速氮在钢中的扩散。
c、高频渗氮
高频渗氮兼有上述两种渗氮方法的优点，而且，工件在高频磁场中还产生磁致伸缩效应，有利于进一步促进氮原子的扩散。
这种工艺比较成熟,已成功地应用于小型零件的生产。
通常以石英管作渗氮容器，外绕感应圈，渗氮温度通常在500～550℃范围，温度再高，工件硬度下降，氮化时间一般为0.5～3h，继续延长时间，渗层增厚并不明显。
此外还有超声波渗氮、表面预变形渗氮、表面纳米化预处理、激光表面氮化渗氮、微波等离子体渗氮、离子注入渗氮等方法均能有效提高渗氮速度。
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参考文献
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