氮化處理是指一種在一定溫度下一定介質中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。氮化處理方式主要是使用氮化爐,將工件放入料框,再使用行車吊起工件放在爐底加熱。另外可以製作爐口加強承重設計的氮化爐,通過吊裝、掛裝工具垂直掛裝工件加熱。氮化爐的爐蓋一般由電機減速機帶動,電動自動升降。爐蓋關閉後,另有壓緊螺栓保證氮化爐真空密封性。先抽真空,後通入氮氣進行氮化熱處理。
鑄造不鏽鋼是用於燃氣機組中阻尼器的材料,是根據國外材料10X14H5M2Л的化學成分進行國產化的一種材料。阻尼器要求表面氮化處理,ZG10Cr14Ni5Mo2鋼的氮化,目前在國內是首次生產。為了掌握此鋼的氮化特性,進行了不同溫度、不同時間的多爐次工藝試驗和理化檢驗,獲取了大量數據,制定了最佳氮化工藝參數。
ZG10Cr14Ni5Mo2鋼含鉻量較高,當此鋼和空氣接觸時,會在鋼的表面形成一層緻密的、保護性的氧化物薄膜(鈍化膜),這層薄膜阻礙氮原子的滲入。因此,去除鈍化膜是此鋼氮化的關鍵之一。目前,國內外對氮化時去除不鏽鋼表面產生的鈍化膜方法已經做了大量研究工作,其中,藥丸法操作簡單、對操作者的人身損害小、成本低廉、氮化質量和產品質量穩定,是國際上比較適用的最新方法。
試驗材料:ZG10Cr14Ni5Mo2鋼;氮化技術要求:氮化層深度0.30~0.50mm,表面硬度≥700HV。試驗材料為鑄造成型,其母合金的化學成分(質量分數)為: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%,試樣尺寸為10mm×10mm×50mm。
氮化前試樣毛坯進行性能熱處理:第一次退火780℃+/-10℃,保溫6~6.5h空冷;第二次退火650℃+/-10℃,保溫4~4.5h空冷;正火1120℃+/-10℃,保溫3~3.5h空冷;在-70℃下冷處理2h空冷;回火620℃+/-20℃,保溫2h後空冷。
選用功率為75kW的氣體氮化爐,分別對試樣進行560、580、600℃催滲氮化。氮化時間分別為:30h、36h、42h、48h、52h、58h、64h。以氨氣作為氮化劑,氨分解率為40~60%,並加入氯化銨作為催滲劑;採用金相法測定氮化層深度。金相法是利用氮化層組織與心部組織抗腐蝕性能不同的特點來測定氮化層深度。氮化試樣用5%的CuSO4溶液侵蝕;用電子顯微鏡測量氮化層深度,用維氏硬度計測量氮化層表面硬度。
氮化時,氯化銨的用量對氮化層表面硬度和深度影響較大。用量過多,工件表面產生麻點,腐蝕氮化罐,阻塞管路;用量過少,除鈍化膜效果不好外,氮化層會減薄且不均勻。
通過實驗,總結出以下結果:
(1)ZG10Cr14Ni5Mo2鋼的氮化工藝參數為:氮化溫度600℃+/-5℃,保溫時間48~60h;氨氣的分解率為40~60%。氨分解率通過氨氣流量來調節。
(2)ZG10Cr14Ni5Mo2鋼的氣體氮化,其氮化層深度和保溫時間符合擴散型控制的拋物線法則。
(3)ZG10Cr14Ni5Mo2鋼的氮化層與基體的界限分明,有明顯的過渡層。
氮化處理還可分為軟氮化,就是我們常說的氮碳共滲,這並不是單一的滲碳或者氮化,而是滲N為主,併兼有滲C的一個表面處理工藝。軟氮化的溫度比滲碳低,但比氮化高,一般在570度左右。而且不同於滲碳後需要重新加熱淬火,而是保溫後直接淬火,節省了一道加熱工序。軟氮化處理硬化層深度相當於滲碳,卻高於氮化。此方法具有二者的優點,比單一處理要好。
氮化爐使用氮化爐在各種鋼製機械零件、汽車曲釉、齒輪、摩託車剎車片、模具等進行氣體氮化熱處理之用。在有色行業,可應用於銅管、銅板、銅線、銅棒等銅材在保護氣氛下的光亮無氧化退火。或用於薄壁無縫鋼管、長軸、各種金屬機件的真空氮氣保護狀態下無氧化回火熱處理工藝。
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