氮化处理是指一种在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。氮化处理方式主要是使用氮化炉,将工件放入料框,再使用行车吊起工件放在炉底加热。另外可以制作炉口加强承重设计的氮化炉,通过吊装、挂装工具垂直挂装工件加热。氮化炉的炉盖一般由电机减速机带动,电动自动升降。炉盖关闭后,另有压紧螺栓保证氮化炉真空密封性。先抽真空,后通入氮气进行氮化热处理。
铸造不锈钢是用于燃气机组中阻尼器的材料,是根据国外材料10X14H5M2Л的化学成分进行国产化的一种材料。阻尼器要求表面氮化处理,ZG10Cr14Ni5Mo2钢的氮化,目前在国内是首次生产。为了掌握此钢的氮化特性,进行了不同温度、不同时间的多炉次工艺试验和理化检验,获取了大量数据,制定了最佳氮化工艺参数。
ZG10Cr14Ni5Mo2钢含铬量较高,当此钢和空气接触时,会在钢的表面形成一层致密的、保护性的氧化物薄膜(钝化膜),这层薄膜阻碍氮原子的渗入。因此,去除钝化膜是此钢氮化的关键之一。目前,国内外对氮化时去除不锈钢表面产生的钝化膜方法已经做了大量研究工作,其中,药丸法操作简单、对操作者的人身损害小、成本低廉、氮化质量和产品质量稳定,是国际上比较适用的最新方法。
试验材料:ZG10Cr14Ni5Mo2钢;氮化技术要求:氮化层深度0.30~0.50mm,表面硬度≥700HV。试验材料为铸造成型,其母合金的化学成分(质量分数)为:C(0.12-0.16%);Si≤0.75%;Mn≤0.9%;Cr(13.0-15.0%);Ni(4.5-5.5%);Mo(2.3-2.8%);S≤0.025%;P≤0.025%,试样尺寸为10mm×10mm×50mm。
氮化前试样毛坯进行性能热处理:第一次退火780℃+/-10℃,保温6~6.5h空冷;第二次退火650℃+/-10℃,保温4~4.5h空冷;正火1120℃+/-10℃,保温3~3.5h空冷;在-70℃下冷处理2h空冷;回火620℃+/-20℃,保温2h后空冷。
选用功率为75kW的气体氮化炉,分别对试样进行560、580、600℃催渗氮化。氮化时间分别为:30h、36h、42h、48h、52h、58h、64h。以氨气作为氮化剂,氨分解率为40~60%,并加入氯化铵作为催渗剂;采用金相法测定氮化层深度。金相法是利用氮化层组织与心部组织抗腐蚀性能不同的特点来测定氮化层深度。氮化试样用5%的CuSO4溶液侵蚀;用电子显微镜测量氮化层深度,用维氏硬度计测量氮化层表面硬度。
氮化时,氯化铵的用量对氮化层表面硬度和深度影响较大。用量过多,工件表面产生麻点,腐蚀氮化罐,阻塞管路;用量过少,除钝化膜效果不好外,氮化层会减薄且不均匀。
通过实验,总结出以下结果:
(1)ZG10Cr14Ni5Mo2钢的氮化工艺参数为:氮化温度600℃+/-5℃,保温时间48~60h;氨气的分解率为40~60%。氨分解率通过氨气流量来调节。
(2)ZG10Cr14Ni5Mo2钢的气体氮化,其氮化层深度和保温时间符合扩散型控制的抛物线法则。
(3)ZG10Cr14Ni5Mo2钢的氮化层与基体的界限分明,有明显的过渡层。
氮化处理还可分为软氮化,就是我们常说的氮碳共渗,这并不是单一的渗碳或者氮化,而是渗N为主,并兼有渗C的一个表面处理工艺。软氮化的温度比渗碳低,但比氮化高,一般在570度左右。而且不同于渗碳后需要重新加热淬火,而是保温后直接淬火,节省了一道加热工序。软氮化处理硬化层深度相当于渗碳,却高于氮化。此方法具有二者的优点,比单一处理要好。
氮化炉使用氮化炉在各种钢制机械零件、汽车曲釉、齿轮、摩托车刹车片、模具等进行气体氮化热处理之用。在有色行业,可应用于铜管、铜板、铜线、铜棒等铜材在保护气氛下的光亮无氧化退火。或用于薄壁无缝钢管、长轴、各种金属机件的真空氮气保护状态下无氧化回火热处理工艺。