尼萃斯氮化炉可控气氛氮化工艺开发与应用

高新技术

2017年9期︱29︱

尼萃斯氮化炉可控气氛氮化工艺开发与应用

江珍艳 周云峰

中国航发成都发动机公司，四川 成都 610503

摘要：由于我公司氮化炉多年未进行技改，用传统井式气体氮化炉生产加工零件过程中，出现某结构钢材料的齿轮零件氮化深度要求大于0.8mm，渗层深度不足且氮化层出现网状不合格组织，大量不锈钢材料的零件氮化后磨削出现渗层剥落等问题。通过引进尼萃斯可控气氛炉和可控气氛氮化技术工艺开发，优化了不锈钢材料渗氮层组织解决了磨削后渗层剥落问题,结构钢齿轮类零件的氮化层深度及组织满足了设计要求。

关键词：尼萃斯氮化炉；不锈钢氮化；深层氮化

中图分类号：TE963 文献标识码：B 文章编号：1006-8465（2017）09-0029-01

1 引言 渗氮是把氮渗入零件表面，以获得高氮表层的化学热处理工艺。渗氮件表面具有更高的硬度、耐磨性、疲劳强度、红硬性以及抗咬合性。另外渗氮后的零件由于表面形成一种致密的化学稳定性较高的氮化层，使零件具有很好的抗腐蚀性。渗氮温度较低，所以渗氮件热处理变形小，正是由于这些优点，使渗氮处理在航空工业中获得广泛应用。传统的渗氮控制技术存在无法对氮势（或氨分解率）实行精确连续控制，渗氮层组织难以控制，工艺重现性差。可控气氛精密控制渗氮工艺参数和过程，工艺重现性好，有利与产品质量的安全可靠性控制。我公司某型发动机零件试制过程中运用传统渗氮出现以下问题：某齿轮零件38CrMoAlA 材料渗层深度要求0.8mm 以上时，出现用传统气体渗氮炉加工渗层深度达不到设计要求，且渗层组织出现连续网状不合格，零件无法合格交付；另外还有1Cr11Ni2W2MoV 和1Cr12Ni2WMoVNb 等不锈钢材料用传统气体渗氮炉加工后，机加在磨削渗氮表面时在磨削面出现黑点或边缘掉块现象，零件无法合格交付。以上问题导致零件无法按时交付，严重影响生产交付进度，为解决以上问题，经过查找资料及调研，公司采购尼萃斯可控气氛氮化炉，通过大量工艺试验进行可控气氛氮化技术开发。

2 传统渗氮与可控气氛渗氮在氮势控制方面的区别 气体渗氮是工件在一定的渗氮温度，氨气分解出活性氮原子被金属吸收并向金属内部扩散，在工件表面呈现渗氮层的组织结构，具体反应如下： 影响渗氮过程的主要因素温度、氮势、时间这几个参数中，渗氮氮势是渗氮控制的关键因素之一。 在传统的渗氮工艺中，炉气的氮势是以氨分解率的大小来表示，氨分解率由氨气流量来控制，流量越大分解率就越小。氨分解率生产上采用多用水吸收法来测定氨分解率，它利用混合气体中NH 3易溶于水的原理，测出混合气体中H 2和N 2的体积，只是一个相对的意义。因此，传统方法控制的氨分解率并不能真实的反应炉内气氛的氮势。 可控气氛渗氮的氮势采用氢分析仪来测量。由计算机将氮势给定制换算成其对应的氢分压制，再与氢分析仪测量的氢分压值进行比较，得出偏差的大小与极性，求出于此偏差形成的控制量，调节分解氨的流量，形成闭环控制系统，从而达到控制氮势的目的。可此可见，可控气氛渗氮可通过设备控制系统使炉内气氛氮势无限接近设定氮势，从而达到精确控制氮势的目的。

3 影响渗层质量的关键因素分析 零件在氮化时，影响氮化结果的主要因素为：温度、保温时间及分解率（氮势）。温度主要影响零件的渗氮速率，温度越高渗氮速率越快，同时氮化温度的选择需要兼顾基体材料的性能；保温时间主要影响零件的渗层深度，当保温时间较长时，零件的渗层深度一般会比较深，渗层越深时，氮原子越不容易进入基体，此时氮原子就会在零件表面堆积，使零件表面氮浓度较高，造成组织不合格，出现网状现象，为了降低氮化零件表面氮势，在保证零件渗层深度的工艺基础上，增加一段扩散阶段，切断氨气，只通入氮气，使氮化零件表面氮原子浓度通过充分扩散到渗层内部，从而降低渗层表面及晶界的氮原子浓度，从而降低氮化表面脆性并细化氮化组织；氮势同时影响零件的渗层深度及渗层组织，当氮势较高时，零件渗氮速率较快，氮原子堆积在晶界及渗层表面没有能充分的扩散到渗层基体，容易形成零件表面渗氮网状不合格组织，在磨削时造成零件表面剥落；氮势较低时，渗氮速率变慢，相应的保温时间就会延长，浪费能源。因此如何在工艺实验时，选取合理的氮化温度、保温时间和氮势，成为至关重要的一点。

4 可控气氛渗氮工艺开发 尼萃斯可控气氛氮化炉安装调试完成后，选取型号试制中典型的氮化问题零件进行工艺试验，具体试验工作如下： 4.1 齿型面38CrMoAlA 材料可控气氛渗氮工艺开发 某齿轮齿型面要求氮化，渗层深度（0.8-1.2）mm，由于渗层深度较深，且氮化位置齿型面有尖角部位，运用传统氮化工艺渗层深度不能满足要求，且渗层出现网状不合格组织。用尼萃斯氮化炉开展工艺试验： 在尼萃斯氮化炉生产厂家提供基础工艺的基础上，考虑到渗层深度比较深，延长了保温时间，初步制定该零件的氮化工艺进行试验，试验结果渗层深度超出了规定的要求，且组织出现了严重网状状组织。经分析由于温度越高、保温时间越长、氮势越高，渗氮层深度较深，渗层组织易出现网状，第二次试验工艺降低渗氮温度、降低氮势，缩短渗氮保温时间，试验结果渗氮深度满足了工艺要求，渗氮组织有了较大的改善，渗层组织为氮化索氏体+波纹状氮化物。该种组织已属于合格，因为有波纹状氮化物，为进一步优化渗层组织和保证加工零件合格率，决定再次优化工艺进行第三次试验。在渗氮保温结束后，再增加一个5小时的扩散阶段，进一步降低表面氮势，该阶段只通氮气进行保护，不通入氨气。用这个工艺参数再

次试验，试验结果渗层深度、组织及表面硬度均能满足设计要求，因此确定了该零件的工艺参数，并形成工艺规程。经过几次生产验证该工艺渗层质量稳定可靠。 4.2 1Cr11Ni2W2MoV 和1Cr12Ni2WmoVNb 可控气氛氮化工艺开

发

我公司某型发动机试制中有1Cr11Ni2W2MoV 和1Cr12Ni2WmoVNb 等不锈钢材料零件要求渗氮，由于不锈钢材料含合金元素较多，会

阻碍氮原子的扩散，氮原子不易渗入基体内，所以不锈钢材料渗氮速度较慢。传统的渗氮工艺无法精确控制氮势，容易造成大量的氮原子在渗层表面堆积，晶界处较薄弱，大部分氮原子的扩散沿晶界进行，导致晶界处脆性更大，因此该类零件在渗氮面磨削后易出现剥落或掉块问题。我们用尼萃斯氮化对这两材料开展工艺试验：

根据设备验收时厂家提供的1Cr11Ni2W2MoV 和1Cr12Ni2WmoVNb 材料渗氮工艺参数，参考前期38CrMoAlA 材料的渗氮经验，渗层深度较深时表明所选用的保温时间较长，应适当缩短保温时间，当渗层的金相组织较差时，证明零件表面氮势较高，应降低氮势。通过分析选用合适的渗氮工艺参数，对该两种材料进行工艺试验。由实验结果分析调整工艺参数，在渗氮结束后增加几小时的扩散以降低

表层脆性。通过多次试验，渗层组织、深度及硬度均能满足设计要求，其渗层组织较优为氮化索氏体。零件经机加磨削也未出现剥落和掉块现象。经过几次生产验证该工艺渗层质量稳定可靠。 5 结语 （1）我公司通过技改购置尼萃斯可控气氛渗氮设备，经过工艺实验成功解决了我公司某型发动机试制中用传统井式气体渗氮炉无法解决的结构钢深层氮化、不锈钢氮化零件渗层剥落的问题。设备控制简单，渗层质量和工艺重现性好，产品质量稳定可靠。 （2）目前我们仅掌握4种材料的可控气氛氮化工艺，随着更多型号研制的需要，后续还需摸索该工艺方法使用情况，总结生产过程的问题，并继续开发其它材料的工艺，以在公司建立尼萃斯氮化炉可控气氛渗氮工艺技术标准。 （3）由于尼萃斯可控气氛氮化炉为公司新型设备，在使用中遇到2次氢分析仪故障，因此设备的维护和运行还需进一步摸索。 参考文献： [1]航空制造工程手册（热处理卷）. [2]热处理设备（第二版）.

[3]钢铁热处理及合金钢（中册）.