关于先进的氮化技术和氮化炉的讨论

Chnstar

就我个人的了解气体渗氮炉要做到气氛温度自动控制不是不可以的！
遇到的问题和大家请教一下！
一、炉内气体使用隔膜泵抽出分析在管道中要有很多的残留没有分解的
完全的氨会直接损坏元件，破坏分析系统的检测经过数据！
二、（气体分析）在检测得氢气和氧气理论上可以知道活性氮离子的多少。
但是在实际的运行中检测的结论与理论的数据相差太大，按照理论的数据做
出来的工件渗氮层还不到8条。
三、在多少的活性氮，多少的时间，多少的氢气，多少的氧气，才能设计出
气体的分析控制系统的参数做有效的工作线性！

zhgh

单纯通过测氢量，计算出分解率没有很大意义，分解率和渗氮效果没有稳定关系，它不象碳势与渗碳的结果有密切关系。新炉子氮化时分解率很低如20%（氨气气量也低），但出来的结果却是氮化层很少，还不如旧氮化炉60%分解率做得效果好。氮化中应该还有一个参数没有被我们认识到，没有这个参数氮化模拟软件的建立是有问题的。

hezj

原帖由 zhgh 于 2008-1-1 14:09 发表
单纯通过测氢量，计算出分解率没有很大意义，分解率和渗氮效果没有稳定关系，它不象碳势与渗碳的结果有密切关系。新炉子氮化时分解率很低如20%（氨气气量也低），但出来的结果却是氮化层很少，还不如旧氮化炉60%分解率做得效果好。 ...

    又见到一个既实际又值得探讨的问题。关于炉气‘渗氮能力’，我是这样看的，对否？一起商榷。
    在既定温度下，炉气渗氮能力实际上取决于两个因素：
    1）氮势高低，氮势高，渗氮能力强，反之亦然。但是，当炉气氮势超过该温度-－时间下生成ε相的门槛值以后，在一定限度以内再提高炉气氮势，其作用和意义并不大。所谓‘可控氮化’，大都用于跟踪门槛值，希望获得无（少）白亮层而仅有高硬度的扩散层的所谓‘韧性氮化’工艺上。实际生产中，对于那些以实现性能优良的白亮层为目的的气体软氮化（氮碳共渗），炉气的氮势和一氧化碳的比例变化，以希望获得单相ε组织为佳品。
    2）另一个因素是，钢与炉气界面反应物质（活性氮原子）的传递系数。这个转递系数必须足够，如果单位时间内从炉气中转移到钢单位表面积上的氨分解出的活性氮原子数量过少，即使气氛的氮势很高，也会发生渗氮能力很弱的现象。比如，在既定温度下（氨分解率相对稳定时）氨气中添加氮气，按照氮势计算公式，氮气的加入将使炉气氮势提高，而且添加比例越多，氮势就越高。实际情况并非完全如此，氮气添加过多后，由于在钢表面氨分解所提供活性氮原子被稀释过度，渗氮能力急剧下降，渗氮速度变得明显减慢。人们有时利用这一点来减少某些钢种的白亮层厚度或降低扩散层的脆性问题（渗氮速度相对也慢些）。这就间接表明，在炉气氮势足够的情况下，氨气流量过少将使渗氮能力下降。实践中氨分解率除了温度的影响以外，还应根据炉罐的老化情况（当前一般的国产存在的一个问题）、炉罐的材料和容积、工件的表面积等因素，先确定一个最低的通氨量（也可以说成‘氨气的每小时换气次数’），并以此作为可控渗氮的基点，如果完全依赖现行理论公式用氨分解率（炉气氮势值）数字来确定工艺规程，在实践中可能出现‘文不对题’的情况；如果有这方面的体会，写成文章，将得不到‘发表’，因为数据显示，它违背了现在‘通行’的理论。这类问题，只能从一些零散资料中推断，有系统的、考虑到多因素的、用实验方法建立起来的、有一定通用性的关于渗氮、氮碳共渗方面的数据库，似乎还是空白（孤陋寡闻，尚未看到）。
    关于渗氮和氮碳共渗的工艺和控制问题，不论从理论和实践的现状来看，对它们的认识要比渗碳和碳氮共渗肤浅，用纯理论来推断生产中的实际问题还存在若干迷茫之处。正如zhgh朋友所说‘氮化中应该还有一个参数没有被我们认识到’（点到了‘要害’，精彩！）。再比如，在实施过程中因材料的牌号和技术要求不同而体现的出的‘共有属性’也远比渗碳和碳氮共渗少，但应用覆盖面要宽，更多的是‘各自有自己特色’，一项比较成熟的工艺应用起来往往局限性很强。又如，合金元素的影响问题就非常显著，同一工艺条件下处理后，不同钢号获得的结果，差别大得惊人，你必须不断地探索在既定条件下的令人满意的（专用）工艺。所以，这里面有很多的工作等待我们去做。当初，仅仅把有剧毒的低温氰化（液体软氮化）转化为气体软氮化（氮碳共渗）并为设计人员比较普遍的接受应用在汽车、摩托、仪表和五金电器元件上，大慨就用了30～40年，才到达现今的样子。
    在这个论坛上，向慕山慕水版主提出这样一个请他为好回帖加分的课题，并不表明本人对渗氮和氮碳共渗方面有多么深厚的了解（只知几根毛毛，不知道和不懂的甚多），只是表达了一种‘明知山有虎，偏向虎山行’的心情，想表达的是‘其中的未知数还有很多，大有文章可做’，引起同行朋友们的兴趣。我们搞技术工作的人员就要像一位‘猎手’，听到了‘老虎’的叫声，心里就高兴，就兴奋，就要前去看看究竟，如果发现了‘老虎’，就要想办法把它抓起来，关在笼子里，然后驯服它。从中享受热处理的快乐！
    希望有兴趣的朋友继续交流，错了的请指正。实践出真知，因为这里是‘rclbbs’， 点点滴滴都是音符。

[ 本帖最后由 hezj 于 2008-3-25 19:38 编辑 ]

flyskyhero

小日本的假氢探头，我极其不赞同，我认为只有所谓比例较大的热传导系数气体，而忽略其他（其实不能忽略的其他）是不能够实现对炉气的精确控制的！

proteam

正在做软氮化工艺试验
可是没有氮化实验炉

熊熊

氮化處理又 稱為擴散滲氮。氣體滲氮在1923年左右，由德國人Fry首度研究發展並加以工業化。由於經本法處理的製品具有優異的耐磨 性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫，其應用範圍逐漸擴大。例如鑽頭、螺絲攻、擠壓模、壓鑄模、鍜壓機用鍜造模、螺桿、連桿、曲軸、吸氣及排氣活門及齒輪凸輪等 均有使用。
一、氮化用鋼簡介
傳統的合金鋼料中之鋁、鉻、釩及鉬元素對滲氮甚有幫助。這些元素在滲氮溫度中，與初生態的氮原子接觸時，就生成安定的氮化物。尤其是鉬元素，不僅作為生成 氮化物元素，亦作為降低在滲氮溫度時所發生的脆性。其他合金鋼中的元素，如鎳、銅、硅、錳等，對滲氮特性並無多大的幫助。一般而言，如果鋼料中含有一種或 多種的氮化物生成元素，氮化後的效果比較良好。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。在含鉻的鉻鋼而言，如果有足夠的含 量，亦可得到很好的效果。但沒有含合金的碳鋼，因其生成的滲氮層很脆，容易剝落，不適合作為滲氮鋼。
一般常用的滲氮鋼有六種如下：
（1）含鋁元素的低合金鋼（標準滲氮鋼）
（2）含鉻元素的中碳低合金鋼 SAE 4100，4300，5100，6100，8600，8700，9800系。
（3）熱作模具鋼（含約5％之鉻） SAE H11 （SKD – 61）H12，H13
（4）肥粒鐵及麻田散鐵系不銹鋼 SAE 400系
（5）奧斯田鐵系不銹鋼 SAE 300系
（6）析出硬化型不銹鋼 17 - 4PH，17 – 7PH，A – 286等
含鋁的標準滲氮鋼，在氮化後雖可得到很高的硬度及高耐磨的表層，但其硬化層亦很脆。相反的，含鉻的低合金鋼硬度較低，但硬化層即比較有韌性，其表面亦有相 當的耐磨性及耐束心性。因此選用材料時，宜注意材料之特徵，充分利用其優點，俾符合零件之功能。至於工具鋼如H11（SKD61）D2（SKD – 11），即有高表面硬度及高心部強度。
二、氮化處理技術：
調質後的零件，在滲氮處理前須徹底清洗乾淨，茲將包括清洗的滲氮工作程序分述如下：
（1）滲氮前的零件表面清洗
大部分零件，可以使用氣體去油法去油後立刻滲氮。但在滲氮前之最後加工方法若採用拋光、研磨、磨光等，即可能產生阻礙滲氮的表面層，致使滲氮後，氮化層不 均勻或發生彎曲等缺陷。此時宜採用下列二種方法之一去除表面層。第一種方法在滲氮前首先以氣體去油。然後使用氧化鋁粉將表面作abrassive cleaning 。第二種方法即將表面加以磷酸皮膜處理（phosphate coating）。
（2）滲氮爐的排除空氣
將被處理零件置於滲氮爐中，並將爐蓋密封後即可加熱，但加熱至150℃以前須作爐內排除空氣工作。
排除爐內的主要功用是防止氨氣分解時與空氣接觸而發生爆炸性氣體，及防止被處理物及支架的表面氧化。其所使用的氣體即有氨氣及氮氣二種。
排除爐內空氣的要領如下：
①被處理零件裝妥後將爐蓋封好，開始通無水氨氣，其流量盡量可能多。
②將加熱爐之自動溫度控制設定在150℃並開始加熱（注意爐溫不能高於150℃）。
③爐中之空氣排除至10％以下，或排出之氣體含90％以上之NH3時，再將爐溫升高至滲氮溫度。
（3）氨的分解率
滲氮是鋪及其他合金元素與初生態的氮接觸而進行，但初生態氮的產生，即因氨氣與加熱中的鋼料接觸時鋼料本身成為觸媒而促進氨之分解。
雖然在各種分解率的氨氣下，皆可滲氮，但一般皆採用15～30％的分解率，並按滲氮所需厚度至少保持4～10小時，處理溫度即保持在520℃左右。
（4）冷卻
大部份的工業用滲氮爐皆具有熱交換幾，以期在滲氮工作完成後加以急速冷卻加熱爐及被處理零件。即滲氮完成後，將加熱電源關閉，使爐溫降低約50℃，然後將 氨的流量增加一倍後開始啟開熱交換機。此時須注意觀察接在排氣管上玻璃瓶中，是否有氣泡溢出，以確認爐內之正壓。等候導入爐中的氨氣安定後，即可減少氨的 流量至保持爐中正壓為止。當爐溫下降至150℃以下時，即使用前面所述之排除爐內氣體法，導入空氣或氮氣後方可啟開爐蓋。
三、氣體氮化技術：
氣體氮化繫於1923年由德國AF ry 所發表，將工件置於爐內，利NH3氣直接輸進500～550℃的氮化爐內，保持20～100小時，使NH3氣分解為原子狀態的（N）氣與（H）氣而進行滲 氮處理，在使鋼的表面產生耐磨、耐腐蝕之化合物層為主要目的，其厚度約為0.02～0.02m／m，其性質極硬Hv 1000～1200，又極脆，NH3之分解率視流量的大小與溫度的高低而有所改變，流量愈大則分解度愈低，流量愈小則分解率愈高，溫度愈高分解率愈高，溫 度愈低分解率亦愈低，NH3氣在570℃時經熱分解如下：
NH3 →〔N〕Fe + 2/3 H2
經分解出來的N，隨而擴散進入鋼的表面形成。相的Fe2 - 3N氣體滲氮，一般缺點為硬化層薄而氮化處理時間長。
氣體氮化因分解NH3進行滲氮效率低，故一般均固定選用適用於氮化之鋼種，如含有Al，Cr，Mo等氮化元素，否則氮化幾無法進行，一般使用有JIS、 SACM1新JIS、SACM645及SKD61以強韌化處理又稱調質因Al，Cr，Mo等皆為提高變態點溫度之元素，故淬火溫度高，回火溫度亦較普通之 構造用合金鋼高，此乃在氮化溫度長時間加熱之間，發生回火脆性，故預先施以調質強韌化處理。NH3氣體氮化，因為時間長表面粗糙，硬而較脆不易研磨，而且 時間長不經濟，用於塑膠射出形機的送料管及螺旋桿的氮化。
四、液體氮化技術：
液體軟氮化主要不同是在氮化層裡之有Fe3Nε相，Fe4Nr相存在而不含Fe2Nξ相氮化物，ξ相化合物硬脆在氮化處理上是不良於韌性的氮化物，液體軟 氮化的方法是將被處理工件，先除銹，脫脂，預熱後再置於氮化坩堝內，坩堝內是以TF – 1為主鹽劑，被加溫到560～600℃處理數分至數小時，依工件所受外力負荷大小，而決定氮化層深度，在處理中，必須在坩堝底部通入一支空氣管以一定量之 空氣氮化鹽劑分解為CN或CNO，滲透擴散至工作表面，使工件表面最外層化合物8～9％wt的N及少量的C及擴散層，氮原子擴散入α – Fe基地中使鋼件更具耐疲勞性，氮化期間由於CNO之分解消耗，所以不斷要在6～8小時處理中化驗鹽劑成份，以便調整空氣量或加入新的鹽劑。
液體軟氮化處理用的材料為鐵金屬，氮化後的表面硬度以含有 Al，Cr，Mo，Ti元素者硬度較高，而其含金量愈多而氮化深度愈淺，如炭素鋼Hv 350～650，不銹鋼Hv 1000～1200，氮化鋼Hv 800～1100。
液體軟氮化適用於耐磨及耐疲勞等汽車零件，縫衣機、照相機等如氣缸套處理，氣門閥處理、活塞筒處理及不易變形的模具處。採用液體軟氮化的國家，西歐各國、美國、蘇俄、日本、台灣。
五、離子氮化技術：
此一方法為將一工件放置於氮化爐內，預先將爐內抽成真空達10-2～10-3 Torr（㎜Hg）後導入N2氣體或N2 + H2之混合氣體，調整爐內達1～10 Torr，將爐體接上陽極，工件接上陰極，兩極間通以數百伏之直流電壓，此時爐內之N2氣體則發生光輝放電成正離子，向工作表面移動，在瞬間陰極電壓急劇 下降，使正離子以高速衝向陰極表面，將動能轉變為氣能，使得工件去面溫度得以上升，因氮離子的衝擊後將工件表面打出Fe.C.O.等元素飛濺出來與氮離子 結合成FeN，由此氮化鐵逐漸被吸附在工件上而產生氮化作用，離子氮化在基本上是採用氮氣，但若添加碳化氫系氣體則可作離子軟氮化處理，但一般統稱離子氮 化處理，工件表面氮氣濃度可改變爐內充填的混合氣體（N2 + H2）的分壓比調節得之，純離子氮化時，在工作表面得單相的r′（Fe4N）組織含N量在5.7～6.1％wt，厚層在10μn以內，此化合物層強韌而非 多孔質層，不易脫落，由於氮化鐵不斷的被工件吸附並擴散至內部，由表面至內部的組織即為FeN → Fe2N → Fe3N→ Fe4N順序變化，單相ε（Fe3N）含N量在5.7～11.0％wt，單相ξ（Fe2N）含N量在11.0～11.35％wt，離子氮化首先生成r相再 添加碳化氫氣系時使其變成ε相之化合物層與擴散層，由於擴散層的增加對疲勞強度的增加有很多助。而蝕性以ε相最佳。
離子氮化處理的度可從350℃開始，由於考慮到材質及其相關機械性質的選用處理時間可由數分鐘以致於長時間的處理，本法與過去利用熱分解方化學反應而氮化 的處理法不同，本法系利用高離子能之故，過去認為難處理的不銹鋼、鈦、鈷等材料也能簡單的施以優秀的表面硬化處...

hoshion

-----我们搞技术工作的人员就要像一位‘猎手’，听到了‘老虎’的叫声，心里就高兴，就兴奋，就要前去看看究竟，如果发现了‘老虎’，就要想办法把它抓起来，关在笼子里，然后驯服它。从中享受热处理的快乐！-----
hezj 的这句话让我很受感动。我应该多想你这样的人学习。不应该一知半解还不愿深入探究，何况相比于大家，我连一知半解都还没做到。
谢谢hezj，谢谢这个论坛。
关于模具的氮化，我这里有一些文献，大部分是英文的，尝试着翻译了一两篇，如有这方面兴趣的同志可以告诉我邮箱，大家一起来探讨。

CJGEF

氮化多用炉目前是有的，我所了解的功能具备传统渗氮、氮碳共渗、真空保护气氛回火、预氧化、后氧化；采用的是德国进口氮势控制软件、氢探头、MFC，可根据kn\kc计算形成ε相位图，可控制白亮层的层深或仅有氮化渗层模式；设备的温度均匀性能达到570±3℃(井式炉）；

hoshion

紧急求助各位懂氮化炉的专业人士：
对于目前一定型号的氮化炉，生产时每一炉次的液氨用量有没有一定的限度？
主要出于成本、炉子气密性考虑。

jochenjing

我想在这里对氮化的数学模型发表一些自己的看法：
对于传统渗氮，一般氮势的定义为Kn=P(NH3)/(P(H2)^1.5),在这里把问题简化，纯NH3-H2气氛氮化时随Kn值增大，化合物越容易形成，化合物越厚，和实际行为相吻合。但是，NH3-H2气氛氮化时随着稀释用的N2流量的增大，化合物厚度越来越薄，而氮势计算值却越来越高，这种现象会对氮势概念发生怀疑。
设炉气中NH3的真实分解率为a，摩尔分数为n，通入气体的总压力为P，则气氛中氢分压PH2和氨分压PNH3分别为：P(H2)= (((1-n)+1.5an)(1+an))P(NH3)=((1-a)n/1+an)P,然而，这于现行计算方法中氢分压P(H2)为：
P(H2)=(1.5an/(1+an))P
明显只考虑NH3分解所产生的那部分氢的作用，没有考虑稀释用的N2的动力学因素作用。为了消除这个误差，可以引入当量氢值概念，用H2.当=K.L(N2)
关于氢探头测量的准确性问题，我认为在做评价的时候，应该用具体的试验数据来做说明。我曾经在渗氮炉上对STANGE（斯坦格）的氢探头的测量数据和氨滴定管的读数做过比较，结果非常接近，氢探头测量数据的准确性和其安装的方式有很大的关系。

mickey2008

前天，热协的渗氮技术研讨会上，从马拉松松公司听到的报告
所得资料供大家分享。

zhangchong

这样的炉好像 我在日本工作的时候有，我也是从事热处理这个行业，但是时间很短暂。这样的炉全是电气化，根据钢种的不同来调节温度，硬度。又环保，危险性又小。出现故障时会自动发出警告。我觉得国内应该有套这样的炉设备。好像在上海有一个日本热处理公司，但是不知道叫什么名字。希望能起到一点作用。

横笛吹雨

先说假的“氢探头”：这种氢探头可能形状和探头相似，但使用的测量原理和“气体分析仪”相同，测量的是炉气的热传导系数，这种方式误差大、信号反应慢。许多人认为这就是“氢探头”，但我更原意称之为“迷你气体分析仪”。像”阿廊“所说的许多做”伪可控氮化“的厂家，使用的所谓氢探头其实就是这种“迷你气体分析仪”。这和一般氮化炉用的测量“氨分解率”的气体分析仪没有本质区别。

真正的“氢探头“：关键部件是一根用特殊材料制成测量管，这种材料只有氢能钻过去，然后在测量管后面有压力传感器直接测出氢分压，由另一压力传感器测出炉压。则炉气中的氢含量直接计算出来。

H2[%体积]=P(H2)/P(炉)*100%慕山慕水 发表于 2007-9-13 11:33

不知慕版所说真正的“氢探头”现在发展到什么程度了？有没有国产的？情况如何？

杨青海

我个人认为,就目前氮化的发展趋势,是该有一些比较先进的设备出来,不然就难以满足市场需求!就我们目前所接触的市场来看,普通的气体氮化,等离子氮化也会象液体氮化一样慢慢退出市场,原因呢就是不能满足市场发展的需要1现在市场要求的质量在不断的提高,一些普通的设备难以满足了哟!个人愚见望大家指正!

dgj01234

真空离子氮化，在一定真空度下打弧-升温-通气-观察辉光厚度（类是渗C炉C势）及工件温度-按工艺保温计时-然后随炉冷至150度以下开炉。工件非常漂亮，外观金属灰色，出现发黑发蓝的情况一般问题是漏气和工件温度较高出炉两方面。

huangcx8413

还有个问题,就是氮化用的氨气纯度要够!目前国内容易忽视这一点.国内有些厂家的纯化装置卖得太贵,一般厂家买不起.本人现在已经研究生产出一种新的氨气提纯设备,(五个9)愿意以合理的价位提供给需要的生厂家!电话:15899836638.

hekailove000

成本还是首位，曾经去某研究所参观过，那边的真空氮化炉，所处理的产品淬透性非常好，且光亮无氧化，故鄙人认为要是有资金不妨引进些进口炉

榆木疙瘩

尼萃斯的渗氮技术与天龙已有合作，在南高齿箱式渗氮炉已有应用。用氢探头、质量流量计、需要氨裂解装置。气氛调节、循环调整、氨气纯化等很重要。

认识精英

[b]回复1#前辈
   
       这样的氮化炉在那可以买到？怎么联系？

旁观者

国内的氮化炉不是仅靠我们自己说要争气就能够轻易赶上的，我们这台2.3m民生的炉子，按合同去年就该投产了，到现在还是调试不出来，表面上是比IVA的便宜了20%，但真空泵是国产的，废气点火手动的，唉，真不知道说郭总什么好，老板已经不准备付余款了，不知道郭总费老力拿到的合同，做成这样，对民生有什么好处。还不如不做，老老实实再学习一下。