关于先进的氮化技术和氮化炉的讨论

慕山慕水

前几天，“hezj”前辈给我一封信，谈到先进的氮化技术和氮化炉的问题。内容如下：

“近几年来，心存执著，脑子里一直思考着一个问题，现在说出来，有请包括您在内的专家们指点，听听意见。
    目前，气体渗氮以其处理温度较低、炉温精确而均匀为优势，特别是氮碳共渗及其扩展伴生的工艺，内容越来越丰富，并且各有特色；覆盖的钢种越来越大。排列组合，应用范围日益阔大。从使用信息层面上说，公开的、保密的，通用的，专用的都有，成为热处理中活力耀眼的一个重要分项，也是热处理工作者发挥才智的一个好平台。然而，目前的国产气体渗氮炉，在实施不同工艺的功能上大都比较单调，存在较大的局限性，制约了好些新工艺的研发和采用。
    出于这种考虑，正在构思一种通用性更好的炉型，既可以进行常规氮化，也可以高压氮化、真空（低压）氮化；手动脉冲调节氮化，以及氮碳共渗、氧氮化、多元共渗；还可以进行真空回火、保护气体回火和发黑（发蓝）处理。主要对象是专业热处理厂，以及有工艺需求且产品竞争激烈的热处理部门。
    如果要配置计算机氮势控制系统，或者自动脉冲控制系统，当然也是可以的，但配置本身对实施其它工艺有所不便，再者，这两种都有相应的专用炉型，故不在考虑范围。
    现在的问题是想请专家们讨论：这样的大众化炉型有现实意义吗？
    本论坛又叫BBC，正反看法都可以说。要申明的是，本人不是做炉子的，只是对这一项技术领域里的事情很感兴趣，对有些试图跟进和自拟的工艺难以在一台设备上实施有些遗憾。
    前些日子，曾经发过帖子，希望讨论气体铁素体氮碳共渗有没有适合国产设备获得ε单相白亮层的技术方法？没有看到有效结果。现在告诉大家，这项工作已经有人在做，并有所突破，听说准备在第九次全国热处理会议上公布。”

其实，先进氮化技术和氮化炉问题也是我个人非常感兴趣的问题之一，在这个帖子中，我会就我个人对此问题的了解和心得陆续发出，也悬赏各位专家对此问题讨论，谁有此方面的资料、论文也请贴出来。

发言有奖！有价值的发言重奖！

cgywm

本人认为，首先必须要摸索出先进的氮化技术：比如考察一下国内外先进的氮化工艺和技术；然后炉子设计可以根据工艺要求设计，采用可靠成熟的控制技术，控制炉温和介质当量。建议不到之处请见谅！

阿廊

版主的设想是好的，但是实现起来恐怕相当困难，要能实现版主所列出的那么多工艺，设备结构会很复杂，工艺气体供应系统和控制系统也会很复杂，我倒是认为，不要追求万能的机器，只要能把一项工作做的出色就是好机器。
另外，如此复杂的炉子价格应该很高，可能不会有那个用户会同时用到上述的那么多工艺，一般用户的产品是比较固定的，因此工艺也是固定的。如果没有市场，这样的设备做出来也没有人买。
可能做热处理工艺研究的科研单位会很喜欢这样的设备。
以上纯属个人的观点，不妥之处请见谅。

dayong_li

斑竹，我们厂现在用的是武汉研究所的第三代离子氮化炉，“自动控制”，存在这样几个问题：
1、温度控制不准确（受离子轰击的缘故）；
2、真空度测量不准确；
3、占空比和电流电压随温度、时间和材料、零件大小以及白亮层要求的数据模型很粗放，还达不到自动控制的要求；
4、空穴效应很让人头疼。
我想这些都会影响炉型的通用化，专家们你们说呢？

阿廊

就我个人认为，气体氮化（包括硬氮化和软氮化）采用氢探头测量氢含量换算的氮势是假的，只能作为工艺调试的参考，在炉子上氮势不能实现仪表的完全自动控制，只是在工艺实验的过程中摸索出不同阶段的氨气和二氧化碳气体的流量，通过仪表和电磁阀实现的，仪表上显示的氮势是假的，好多炉子前期调试好以后，不改变工艺，不用氢探头照样能做出合格的工件。我认为，这是氨分解率既活性氮离子和氢含量之间的模型不完善做成的。

慕山慕水

所谓“控制氮化”是指区别于一般“气体氮化”的借助先进的传感技术、控制系统和计算机模拟技术而实现的“可控制氮化”，就像“可控气氛渗碳”与一般“数煤油滴数的渗碳”的区别一样。
如果真正实现了控制氮化（软氮化），首先可以得到“所需的化合物层”，而且有效深层将会大大提高（至2mm甚至更高）。
可以想象，氮化（软氮化）层如达到2mm以上，凭借高硬度，低温小变形等优势，这项技术能取代一大部分渗碳产品。所以只是此方向就有巨大的实用前景。

慕山慕水

真正实现“控制氮化”主要要解决如下几个问题：
1、渗氮过程的物理模型建立，确定控制参数，通过控制多个参数实现渗氮过程的可控。
2、传感器技术的发展，通过多种传感器确定气氛中的控制参数。
3、控制仪表技术，根据传感器信号，计算控制参数，并产生控制信号。
4、执行器。根据控制信号，调节各种介质的流量。
这些问题解决了，控制氮化就可以实现。

慕山慕水

正如“阿廊”所言，目前许多号称“已实现控制氮化”的厂家，其实都是“伪控制氮化”，这里所指的实现“伪控制氮化”的厂家包括：爱协林、易普森等国际知明公司。称他们是实现“伪控制氮化”的原因，“阿廊”已经说明了，我不再多述。
就我个人理解：实现真正“控制氮化”的炉子制造公司世界上可能只有“尼翠斯（NITREX）”一家。

正是因为“控制氮化”有巨大的现实应用意义，世界上也有人作出来了，可真正掌握的有很少，所以我们才要在这里深度的讨论这个话题。

慕山慕水

控制氮化（软氮化）的目的是通过自动控制得到所要求的渗层组织结构（包括组织和深度）及相应的理化性能。实现此目标就要控制温度和保持反应气体的成分。保持反应气体的成分可以通过控制3种系数完成。
渗氮系数Kn：

Kn=P(NH3)/P(H2) 3/2

这是由NH3的分解反应得来的：NH3=[N]+3/2 H2

氮碳共渗时，渗碳系数Kc有两种描述：

Kcw＝P(CO)*P(H2)/P(H20)   由水煤气反应 CO+H2=[C]+H2O  得来

KcB=P(CO)2/P(CO2)        由界面反应 2CO=[C]+CO2 得来

氧化系数Ko：

Ko=P(H2O)/P(H2)

由水形成反应得来  H2+1/2 O2=H2O

[ 本帖最后由 慕山慕水 于 2007-9-13 11:02 编辑 ]

慕山慕水

如何通过通过Kn、Kc、Ko控制气氛组成及相，不好叙述，看图吧！

fcxhm

热处理发展到今天，设备的种类已很多，要想找一种合适的炉型我想不会是一件很难的事，关键是版主所说的氮化过程的物理模型的建立及传感器的发展，这些问题解决了，我想氮化会象渗碳一样普及。

慕山慕水

通过上面的分析可知，建立渗碳过程的物理模型已非难事。因为“氮化”过程与“渗碳”过程一样，都是一个扩散过程。而渗碳过程的物理模型、数学模型、扩散方程的差分算法、计算机编程都已成熟。氮化过程的扩散方程不过是多几个参数，背景相图换为F-C-N相图而已。其中很多算法和编程都与“渗碳”过程类似。

现在看来，关键问题不在“物理模型”的建立，而在于传感器技术。因为氧探头和λ探头已经很成熟，所以关键的关键是“氢探头”。而氢探头又有“真假”之分。

慕山慕水

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

由“氢探头”得到炉气中的氢含量，氧探头得到氧含量，通过气氛模型及控制并测量通入炉内新鲜气体的任务就必须由“气体质量流量测量控制器（MFC）”来完成了。这样炉内其余反应气氛就都可以计算和控制了。从而实现了真正的“控制氮化”。

“气体质量流量测量控制器”简称“MFC”，首先是一个控制执行器，可以根据信号指令连续调节通过气体的流量，但它又是一个流量测量器，可以实时测量真实的通过流量，并能测量指定时间内的累计气体通过质量。

慕山慕水

MFC照片

慕山慕水

炉子通入气体有：安全氮气、工艺氮气、氨气、氨分解、CO2气、水；其中安全氮气、水的通入由电磁阀控制，工艺氮气、氨气、氨分解、CO2气的通入全部用MFC控制于测量。

完整的“控制氮化炉”控制原理图如下：

sdust

渗氮层的本质
        由渗氮工艺产生的渗层有两部分组成：坚硬的复合层及较软的扩散层。复合层增强了零件的耐磨性。而扩散层则不直接影响零件的耐磨性。它可能提高零件的疲劳强度。欢迎指正！

sdust

气态渗氮零件的工艺流程

1. 粗加工
   为调质或消除应力后的精加工预留不大于0.79mm的加工余量
2. 按照工程图纸的要求进行调质或消除应力处理
    如果对热处理没有具体说明，对零件进行消除应力处理。
3  粗加工
    为调质或消除应力后的精加工预留不大于0.79mm的加工余量
4. 渗氮
5. 渗氮处理后的精加工
    渗氮处理后，不得对零件进行去除材料以及强化加工。
仅供参考，请批评指正！

rclxinshou

如果用特殊的材料制作的话，氢既然能进入，那也能出来，这样的话也不能完成精确测量啊。

呵呵

我们单位有一台气体氮化炉，也有一台离子氮化炉，觉得离子氮化的变形好些，而且零件的层深比较均匀，就是不如气体氮化炉使用方便，而且产量也小。现在存在的问题是氮化层的深度到一定的程度就很难再渗了；渗层浅的，在金相检验的时候还容易被磨掉，不知道各位朋友有没有好的办法能够解决厚层深及检验的问题。