离子渗氮前预先热处理工艺的制订原则
h13钢离子渗氮工艺流程
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在进行 H13 钢离子渗氮之前，需要进行充分的准备工作。
离子预氧化催渗快速离子渗氮技术
离子预氧化催渗快速离子渗氮技术以离子预氧化催渗快速离子渗氮技术为标题，本文将介绍离子预氧化催渗技术的原理、应用和优势。
一、离子预氧化催渗技术的原理离子预氧化催渗技术是一种利用离子束对工件进行氧化预处理，然后再进行离子渗氮的表面处理技术。
该技术主要包括三个步骤：氧化预处理、离子渗氮和后处理。
1. 氧化预处理：通过利用离子束在工件表面产生氧化层，可以改善工件表面的化学活性和机械性能。
氧化预处理的目的是为了增加表面的氮化物的扩散速度和深度，提高离子渗氮的效果。
2. 离子渗氮：将氮离子注入到工件表面，使其与金属基体发生反应，形成氮化物层。
离子渗氮可以显著提高工件的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性能。
3. 后处理：离子渗氮后，需要进行适当的后处理，如退火、淬火等，以消除残余应力并提高材料的力学性能。
二、离子预氧化催渗技术的应用离子预氧化催渗技术广泛应用于金属材料的表面处理和改性。
以下列举几个典型的应用领域：1. 机械制造业：离子预氧化催渗技术可用于增强零件表面的硬度和耐磨性，提高零件的使用寿命，适用于汽车发动机零件、轴承、齿轮等。
2. 航空航天工业：离子预氧化催渗技术可用于增强航空发动机零件的表面性能，提高零件的抗磨损和抗腐蚀性能，提高零件的可靠性和寿命。
3. 电子电器行业：离子预氧化催渗技术可用于提高电子电器元件的表面硬度和耐蚀性，提高元件的可靠性和稳定性。
4. 医疗器械领域：离子预氧化催渗技术可用于改善医疗器械表面的生物相容性，提高器械的耐蚀性和抗磨损性。
三、离子预氧化催渗技术的优势离子预氧化催渗技术相比传统的渗氮技术具有以下几个优势：1. 高效快速：离子束处理具有高能量、高效率的特点，能够快速形成氧化层和渗氮层，大大缩短处理时间。
2. 均匀性好：离子束能够均匀地撞击工件表面，使得氧化层和渗氮层的厚度和成分均匀一致，提高了工件的表面质量。
3. 可控性强：离子束能够根据工件的要求进行调控，如能量、注入离子的种类和剂量等，以实现对渗氮层的控制和调整。
低温化学热处理方法——离子渗氮
低温化学热处理方法——离子渗氮1、原理简述离子渗氮时，首先用真空泵向炉内抽气，当真空度达到１.３３Ｐａ后，通入氨、氮混合气体，至炉压升至约７０Ｐａ时接通电源，在阴极（工件）与阳极间施加直流电压，使炉内气体放电，其伏安特性曲线如下图所示。
当阴阳极电压升到下图中ｃ点对应的数值时，工件上开始产生辉光，这个电压称为辉光点燃电压。
起辉后极间电压陡降，随后电流在电源电压增加而极间电压基本不变的情况下不断增大。
此时工件上辉光的覆盖面迅速增大，至图中ｄ点工件表面完全被辉光覆盖，ｃｄ段称为正常辉光区。
超过ｄ点时电流再增加，阴阳电压也上升。
极间电压达到ｅ点后又开始陡降，此时开始发生弧光放电。
ｄｅ段称为异常辉光区，ｅ点以后称为弧光放电区。
离子渗氮通常是在异常辉光区进行。
在这个区段可通过控制电压调节电流，从而控制工件的加热温度，但注意避免弧光放电。
电源控制系统应能在发生弧光时自动切断电源熄灭弧光，然后自动点燃辉光，继续工作。
▲气体放电的伏安特性曲线在真空离子渗氮炉中，氮氢混合气体中的氮被电离成离子，它们轰击钢件表面，使之溅射出铁原子，并与等离子区的氮原子及电子结合形成化合物ＦｅＮ，ＦｅＮ吸附在工件表面后，又在离子轰击作用下逐步分解为低价氮化物和氮原子，使之渗入工件内部。
因此，氮由气相转入固相而实现渗氮主要是通过碰撞离解产生的大量活性氮原子渗入工件来实现的。
2、离子渗氮层性能（1）渗氮层的硬度渗层的硬度及其分布，是衡量渗氮效果和使用性能的主要指标。
离子渗氮与常规渗氮工艺相比，在硬度方面无明显差别。
但离子渗氮可以通过调节工艺参数来控制渗层组织，获得理想的、平缓的硬度分布。
碳钢、铸铁的化合物层薄，硬度低（＜８００ＨＶ），主要靠固溶强化，扩散层的硬度仅比心部略高（３００～５００ＨＶ）。
含合金氮化物形成元素的钢，如结构钢、工具钢、高速钢等经离子渗氮后，由于高硬度的合金氮化物弥散强化作用，而使得表面具有很高的硬度。
（2）耐磨性足够厚的化合物层，具有较好的抗腐蚀、耐磨损的能力。
金属热处理生产工艺 渗氮工艺的技能操作 渗氮工艺的技能操作
6． 操作
(1)升温之前先检查炉子是否漏气，然后通氨气 ，按照工艺 规范加热升温 ，进行排气。
(2)为了减少变形采用阶梯升温方法 ， 当炉温到达渗氮温度时， 调节好氨的分解率后开始计保温时间 。当氨分解率达到18% 左右时可点燃废气以保护环境。
(3)为了降低渗层的脆性 ，应进行退氮处理 ，此时应关闭出气 孔 ， 只通入少量的氨气以保持炉内正压力。
度≥0．43mm；硬
度要求： 磨去
0． 1mm后硬度≥ 900HV； 畸变要求：
径向圆跳动≤
o．05mm。
2． 渗氮前的预备热处理
(1)调质 。粗车后加热到940 ℃保温2．5～3h ，油冷，在650~ 690 ℃回火，保温3．5h 。调质后硬度为248～280HBS。
(2)高温回火 。半精车后在610 ℃保温5～5．5h ，炉冷至≤ 350℃出炉空冷 。主要是消除机加工过程中的应力， 防止 渗氮过程中变形。
• (5)畸变 。主轴渗氮后精磨0． 1mm，径向跳动 0．03mm为合格 。如变形超差 ，主要原因是渗氮 前未很好地消除应力；温度不均匀 ，升温太快； 零件结构不合理等。
6.2.3训练3 齿轮气体渗氮（中级工）
• 1．技术要求 高速齿轮 ，30万吨合成氨离心空气压缩机的增速 器齿轮 ，材料25Cr2MoV ，渗氮层深0.45~
0.55mm。
• 2．加热设备及渗氮方式的选择 加热设备选用井式气体渗氮炉 ，采用气体渗氮方 式。
• 3．零件预备热处理 齿轮调质处理后精加工 ，精加工后进行消除应力 退火。
5． 质量检验
• (1)表面质量 。 目测氮化表面色泽 ，银灰色、不发亮为正 常 。如果发黑，说明炉内含氧量过高，零件去油污不好 。 解决的办法是检查泄漏 ，并注意清洗零件 ，清洗后一定要 干燥进炉。 (2)表面硬度。用试样检查表面硬度，再磨去0． 1mm后检 测硬度 。发现硬度低 ，说明渗氮温度过高或过低； 时间短 渗层太浅；真空度低 ，漏气造成氧化；氮势不足；材料用 错等 。解决的办法是严格执行工艺 ，检查漏气的原因 ，供 气适当 ，改正材料等。
氮化工艺在钻杆接头螺纹处理中的应用研究
氮化工艺在钻杆接头螺纹处理中的应用研究苏辰兆1,2,王洪炜1,2,程林1,2(1.河北省地质矿产勘查开发局国土资源勘查中心,石家庄 050085;2.河北石探机械制造有限责任公司,石家庄 050085)摘 要:本文介绍了氮化工艺在钻杆接头螺纹处理中的应用研究,对离子渗氮和氮碳共渗这两种氮化处理原理及过程进行了分析和对比㊂接头离子渗氮工艺是将工件置于真空炉中,接头接离子电源阴极,炉体接阳极,在电场的作用下,氮离子定向撞击阴极,在一定的气氛和温度下,接头吸收氮原子,形成氮化层的工艺㊂接头螺纹离子渗氮后,氮化层的渗层深度㊁渗层脆性㊁渗层疏松等满足评价等级要求,使接头螺纹具有良好的综合性能㊂关键词:钻杆接头;氮化工艺;离子渗氮;氮碳共渗;金相组织中图分类号:P 634.4,T G 156.8 文献标识码:B 文章编号:1009282X (2023)04000606S t u d y o n t h e a p p l i c a t i o n o f n i t r i d i n g p r o c e s s i n t h r e a d t r e a t m e n t o f d r i l l p i p e jo i n t s S U C h e n z h a o 1 2W A N G H o n gw e i 1 2C H E N G L i n 1 21 L a n d a n d R e s o u r c e s E x p l o r a t i o n C e n t e r o f H e b e i B u r e a u o f G e o l o g y a n d M i n e r a l R e s o u r c e s E x p l o r a t i o n S h i j i a z h u a n gH e b e i 050085 C h i n a2 H e b e i S h i t a n M a c h i n e r y M a n u f a c t u r i n g C o L t d S h i j i a z h u a n gH e b e i 050085 C h i n a A b s t r a c t I n t h i s p a p e r a u t h o r s i n t r o d u c e t h e a p p l i c a t i o n s t u d y o f n i t r i d i n g p r o c e s s i n t h r e a d t r e a t m e n t o f d r i l l p i p e jo i n t s a n a l y z e a n d c o m p a r e t h e p r i n c i p l e s a n d p r o c e s s e s o f i o n n i t r i d i n g a n d n i t r o c a r b u r i z i n g T h e j o i n t i o n n i t r i d i n g pr o c e s s i s a p r o c e s s i n w h i c h t h e w o r k p i e c e i s p l a c e d i n a v a c u u m f u r n a c e t h e jo i n t i s c o n n e c t e d t o a n i o n p o w e r c a t h o d e o f t h e i o n p o w e r s u p p l y a n d t h e f u r n a c e b o d y i s c o n n e c t e d t o a n a n o d e U n d e r t h e a c t i o n o f a n e l e c t r i c f i e l d n i t r o ge n i o n s s t r i k e t h e c a t h o d e i n a d i r e c t i o n a l m a n n e r a n d u n d e r a c e r t a i n a t m o s p h e r e a n d t e m p e r a t u r e t h e j o i n t a b s o r b s n i t r o g e n a t o m s t of o r m a n i t r i d i ng l a y e r A f t e r i o n n i t r i d i n g o f j o i n t th r e a d t h e p e n e t r a ti o n d e p t h b r i t t l e n e s s a n d l o o s e n e s s o f t h e n i t r i d e d l a y e r t h e jo i n t t h r e a d m e e t r e q u i r e m e n t s o f e v a l u a t i o n g r a d e s o t h a t t h e j o i n t t h r e a d h a s a g o o d c o m pr e h e n s i v e p e r f o r m a n c e K e yw o r d s d r i l l p i p e j o i n t n i t r i d i n g p r o c e s s i o n n i t r i d i n g n i t r o c a r b u r i z i n g m e t a l l o g r a p h i c o r g a n i z a t i o n 收稿日期:20221105作者简介:苏辰兆(1984-)男,工程师,本科,地质机械专业,主要从事钻井设备和钻具研发等方面的工作,E -m a i l:s u .c h e n z h a o @163.c o m ㊂0 引言钻杆是用优质无缝钢管和优质合金钢接头摩擦焊接制成,承受钻探过程中钻杆自身交变载荷㊁疲劳和磨损㊂钻杆在使用一定期限后,多因磨损和腐蚀而报废㊂因此,提高其耐疲劳性能和抗腐蚀性能是延长使用寿命的重点㊂钻杆间的接头螺纹是钻杆的薄弱环节,对钻杆接头螺纹进行氮化处理可提高其表面硬度㊁耐磨性㊁抗疲劳强度和抗咬合性,防止钻杆在使用中发生螺纹失效现象㊂1 氮化工艺的研究与评价1.1 离子渗碳与氮碳共渗氮化工艺的种类较多,可分为气体渗氮㊁液体渗氮㊁离子渗氮㊁氮碳共渗等,由于液体渗氮对环境污染严重,因此目前生产中已基本淘汰㊂钻杆接头多采用离子渗氮(硬氮化)和氮碳共渗(软氮化)对接头螺纹表面进行处理,本文主要研究了这两种氮化工艺[1]㊂1.1.1 离子渗氮离子渗氮也称辉光渗氮,是在低真空的含氮气体中,利用工件(阴极)和阳极间产生的辉光放电现象进行的渗氮工艺㊂可获得高韧性的γ'相或无白亮层的氮化物层,具有良好的耐磨性㊁耐腐蚀性和高抗疲劳强度㊂该工艺是把放入炉内的工件作为阴极,离子渗氮炉体作为阳极,然后将炉内抽成低真空(1.33~ 13.30P a),冲入少量氨气,并继续对炉内抽气㊂当炉内压力达到70P a左右时,在阴阳极之间通以400~800V的直流电压,使炉内稀薄的气体发生电离,氨气在高压电场作用下部分分解成氮和氢的正离子及电子㊂在电场作用下,电子向阳极运动,N+㊁H+向工件(阴极)运动㊂正离子在电场作用下轰击在工件表面形成一层紫色辉光,其厚度为4~ 8m m㊂同时,N+在阴极夺取电子后还原成氮原子被工件表面吸收,并向内层扩散㊂氮离子轰击工件表面还能产生阴极溅射效应,溅射出F e-,这些溅射出来的F e-在等离子区与N+结合成F e N,F e N被吸附到工件表面上㊂在高温及离子轰击下,F e N很快分解为F e2N㊁F e3N等,并放出活性氮原子向工件内部扩散,于是在工件表面形成氮化层㊂随时间的增加,渗氮层逐步加深㊂离子渗氮优势有以下4点:(1)环保节能㊂由于离子氮化是利用辉光放电直接进行加热,通过离子化的含氮气体进行氮化处理,可获得均匀的温度,与间接的加热方式相比效率可提高2倍以上,能源消耗仅为气体氮化的40%~ 70%,耗气量远小于气体氮化工艺,无需配备防止污染的环保设施㊂因此,离子氮化法也称为21世纪的 环保氮化法 ㊂(2)渗速快㊂等离子氮化不仅氮化能力强,而且可使工件表面活化,产生加速吸收和扩散的缺陷,因而离子渗氮可以大大缩短渗氮时间,特别是浅层渗氮时更为突出㊂例如渗氮层深度在0.3~0.5m m 时,离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮时间的1/3~1/5㊂(3)变形极小㊂由于离子渗氮是在真空中进行,因此可获得无氧化的加工表面,不会损坏被处理的工件表面,而且在低温下进行处理(380ħ起即可进行氮化处理),被处理的工件变形量极小,能满足高精度零部件的要求,处理后无需再进行机械加工,适合成品件的处理㊂(4)韧性良好㊂经气体氮化和盐浴氮化处理的工件表面通常会出现较厚(>20μm)的化合物层,这是由于ε+γ'两相组成的不均匀混合物层,里层则为扩散层㊂因此,在化合物内产生三相显微应力,若在此方向上再略加外力就会产生微裂纹,此裂纹逐渐扩展而使整个化合物层剥落㊂含铬㊁铝渗氮钢的化合物层很脆,气体氮化后一般都要去除该层后才能使用㊂而离子氮化通过控制气体中氮和碳的含量比,或氮气和氢气的比例,可以获得5~30μm的脆性较小的ε相单相层或0~8μm厚的韧性γ'相单相层,也可以得到韧性更优的无化合物层且仅有扩散层的渗层,这样可以不需要磨削直接装机使用㊂通过调节氮气㊁氢气及其他气体的比例,可以自由调节化合物层的相组成,从而获得预期的机械性能㊂1.1.2氮碳共渗氮碳共渗也称软氮化,是指在工件表层同时渗入氮原子和碳原子,并以渗氮为主的化学热处理工艺㊂氮碳共渗可分为铁素体氮碳共渗和奥氏体氮碳共渗,铁素体氮碳共渗的温度(570ħ)略高于渗氮温度(480~560ħ),使得氮碳共渗速度快于渗氮速度㊂氮碳共渗也可分为液体氮碳共渗和气体氮碳共渗,液体氮碳共渗采用氰盐作为共渗剂,氰盐具有剧毒,使用受限,一般采用气体氮碳共渗㊂气体氮碳共渗常用气体介质一般有尿素热分解气㊁甲酰胺及三乙醇胺等热分解气和氨气+渗碳气3大类㊂尿素在常温下是白色粉末状固体,在不同温度时尿素分解产物不同,在500ħ以下不能直接分解出活性氮㊁碳原子,在500ħ以上,尿素产生热分解反应,产生活性碳㊁氮原子,(N H2)2C OңC O+ 2[N]+2H2,2C Oң[C]+C O2㊂甲酰胺㊁三乙醇胺等有机化合物都是液体,甲酰胺在570ħ产生热分解,产生活性碳㊁氮原子,2H C O N H2ң2H2+ H2O+C O+2[N]+[C],2C OңC O2+[C]㊂渗碳气可采用吸热式气体㊁放热式气体等,采用吸热式气体与氨气的混合气体进行氮碳共渗时,两种气体的体积比为1ʒ1,混合气体的露点为0ħ,在570ħ进行共渗可取得良好的共渗效果㊂氮碳共渗工艺制定与共渗温度㊁共渗保温时间㊁共渗后的冷却息息相关㊂氮碳共渗温度多采用570ħ,低于此温度,氮在α-F e(铁素体)中的溶解度和扩散能力较低,渗速较慢㊂提高共渗温度,氮原子在γ'和ε相中的扩散系数增大,渗速加快,但化合物层(ε相)显著增厚,并且渗层表面易产生疏松层,疏松层厚度和疏松程度随温度提高而增大㊂图1为42C r M o钢不同共渗温度对化合物层深度及疏松层的影响㊂1.白亮层;2.ε相化合物层;3.致密ε相化合物;4.疏松ε相化合物1.t h e w h i t e b r i g h t l a y e r ;2.εi t e m o f t h e c o m p o u n d l a ye r ;3.εi t e m of t h e c o m p a c t c o m p o u n d l a ye r ;4.εi t e m of t h e l o o s e c o m p o u n d l a ye r 图1 42C r M o 钢共渗温度对化合物层深度及疏松层的影响F i g .1 Ef f e c t o f c o -i n f i l t r a t i o n t e m p e r a t u r e o n t h e d e pt h o f c o m p o u n d l a y e r a n d p o r o s i t y l a ye r of 42C r M o s t e e l 以42C r M o 为例,共渗层深度与共渗时间的关系遵循抛物线规律,见图2㊂延长共渗时间,渗层深度增加不明显,而且可能导致表面产生疏松,使渗层容易剥落㊁降低硬度,故氮碳共渗一般控制在4h 以内㊂图2 42C r M o 钢在570ħ氮碳共渗保温时间对渗层深度的影响F i g .2 E f f e c t o f n i t r o c a r b u r i z i n g h o l d i n gt i m e a t 570ħo n t h e d e p t h o f n i t r o c a r b u r i z e d l a ye r of 42C r M o s t e e l 氮碳共渗后的冷却与渗氮后的冷却方式不同,氮碳共渗后通常采用快冷方式,以获得过饱和的固溶体,使表面形成较大残余压应力,提高疲劳强度㊂对于畸变要求高的工件,可炉冷至450ħ左右,再油冷或空冷㊂综上所述,离子渗氮比氮碳共渗工艺所采用的渗氮温度更低,两者的所用温度都应低于回火温度,以保证工件心部性能不在渗氮中发生变化㊂1.2 氮化工艺前的预备热处理为保证工件心部具有良好的综合机械性能,消除加工应力,减小氮化变形以及为氮化处理做好组织准备,在氮化前一般都要进行预备热处理,即调质处理,调质的质量对氮化的质量有很大的影响㊂调质过程中,如淬火保温时间不够或温度太低,都会使铁素体不能完全溶入奥氏体中,调质后有游离铁素体存在㊂由于氮在铁素体中的扩散速度较快,该处在氮化后就会有较高的氮浓度,易形成针状氮化物,使氮化层脆性增大,容易剥落㊂因此调质后,表面层不允许出现游离铁素体,心部游离铁素体量不允许超过5%㊂相反,如果淬火温度过高,淬火后晶粒变粗,氮化物优先沿晶界伸展,氮化后出现波纹状或网状组织,也使氮化层脆性增大㊂调质过程中,回火温度的高低决定了基体中碳化物的弥散度㊂回火温度太高,基体中碳化物弥散度减小,氮化件心部强度㊁硬度不足,不能起支撑硬而脆的氮化层的作用,在外力作用下,尤其在较大接触应力作用下,往往会导致压碎或剥落,使零件过早失效;回火温度过低,会使心部强度㊁硬度过高,零件预备热处理后切削加工较困难,还会降低氮化速度㊂因此,选择适当的回火温度,以调整碳化物的弥散度,使它既能使渗层和心部有较好的性能,又可得到合理的渗速㊂1.3 接头螺纹氮化处理的优势接头螺纹进行表面处理的目的是为了防止钻具在使用过程中产生粘扣㊁表面划伤等影响使用寿命的状况,目前主流的表面处理技术主要包括螺纹表面渗氮和螺纹表面镀铜㊂螺纹表面渗氮可以使螺纹表面具有高的硬度及耐磨性[2-3],经氮化处理的钻杆接头表面硬度可达H R C 47以上,心部硬度为H R C 27~H R C 33,在保证表面高硬度的同时又能保证心部良好的韧性,渗氮层能使螺纹表面具有高的疲劳强度,具备良好的综合性能㊂实践证明,采用渗氮技术后,螺纹拧卸9次之内均可避免发生粘扣问题,同时还能有效减少磨损现象㊂一般渗氮的温度较低,常在480~570ħ,氮化处理后的螺纹表面变形小,可作为最终热处理㊂钻杆接头螺纹采用镀铜的方法可以对钻杆接头螺纹起到防腐减磨防护效果,当镀层的厚度达到5~15μm时,能有效防止螺纹出现粘扣现象㊂但需要注意的是在应用镀铜技术时需要克服镀层均匀性的问题,否则起不到上述的效果㊂2钻杆接头螺纹氮化工艺的技术要求2.1钻杆接头螺纹氮化前工件要求钻杆接头螺纹氮化前必须进行调质处理,原始组织级别1~2级,见表1㊂螺纹表面粗糙度应满足图纸要求的R a1.6μm,应保证螺纹表面无油渍和污物㊂表1渗氮前原始组织级别及说明T a b l e1G r a d e a n d d e s c r i p t i o n o f o r i g i n a l s t r u c t u r e b e f o r e n i t r i d i n g级别渗氮前原始组织级别说明1均匀细针状索氏体,游离铁素体量极少2均匀细针状索氏体,游离铁素体量<5%3细针状索氏体,游离铁素体量<15%4细针状索氏体,游离铁素体量<25%5索氏体(正火),游离铁素体量>25%2.2钻杆接头螺纹氮化后技术要求2.2.1渗氮层脆性渗氮层脆性指渗氮件表面在一定的试验力作用下,维氏硬度压痕边角碎裂的程度㊂检验渗氮层脆性,采用维氏硬度计,试验力规定为98.07N,加载5~10s,然后除去载荷㊂渗氮层脆性级别分为5级,接头螺纹级别1~2级合格,见表2㊂表2渗氮层脆性级别及说明T a b l e2B r i t t l e n e s s g r a d e a n d d e s c r i p t i o n o f n i t r i d e d l a y e r 级别渗氮层脆性级别及说明1压痕边角完整无缺2压痕一边或一角碎裂3压痕二边或二角碎裂4压痕三边或三角碎裂5压痕四边或四角碎裂2.2.2渗氮层疏松渗氮层疏松指渗氮层中表面化合物层(白亮层)微孔的密集程度㊂显微放大500倍检验白亮层的疏松程度,按白亮层内微孔的形状㊁数量㊁密集程度分为5级,接头螺纹级别1~2级合格,见表3㊂表3渗氮层疏松级别及说明T a b l e3G r a d e a n d p o r o s i t y d e s c r i p t i o n o f n i t r i d e d l a y e r级别渗氮层疏松级别及说明1化合物层致密,表面无微孔2化合物层较致密,表面有少量细点状微孔3化合物层微孔密集成点状孔隙,由表及里逐渐减少4微孔占化合物层2/3以上厚度,部分微孔聚集分布5微孔占化合物层3/4以上厚度,部分呈空洞密集分布2.2.3脉状氮化物脉状氮化物指扩散层中与表面平行走向的脉浪状氮化物㊂显微放大500倍检验扩散层中氮化物的形态㊁数量㊁分布情况,分为5级,接头螺纹级别1~ 2级合格,见表4㊂表4氮化物级别及说明T a b l e4N i t r i d e g r a d e a n d d e s c r i p t i o n级别氮化物级别及说明1扩散层中有极少量呈脉状分布的氮化物2扩散层中有少量呈脉状分布的氮化物3扩散层中有较多呈脉状分布的氮化物4扩散层中有较严重脉状和少量断续网状分布的氮化物5扩散层中有连续网状分布的氮化物3钻杆接头氮化的检验分析3.1钻杆接头的化学成分分析采用红外碳硫分析仪N-HW200D和电脑红外多元素分析仪N-HW300D,对接头试样进行取屑化验,分析结果如表5所示㊂表54137H(37C r M n M o)化学成分T a b l e5C h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f137H(37C r M n M o)元素含量/%C0.370S i0.240M n0.930C r1.120M o0.310A l0.015P0.013S0.0043.2钻杆接头氮化后微观组织分析利用铁氮平衡图(图3)可以分析钻杆接头在不同温度下渗氮层各相的组成,由表及里依次为α㊁ε+γ'㊁γ'+α㊁α㊂从图中可得出在不同温度下各渗氮相形成顺序及组成物[4]㊂表6给出渗氮相形成顺序及相组成物,从表6可知,为减少螺纹表面变形,尽量选择<590ħ进行渗氮处理㊂3.3 钻杆接头渗氮前的原始组织使用H V S -1000数显显微硬度计,抛光后在4%的硝酸酒精腐蚀的状态下,放大500倍对接头螺纹进行钻杆接头的原始组织检验㊂检验结果如图4所示,原始组织为调质后的索氏体+少量游离铁素体,评定为2级㊂图3 铁氮平衡图F i g .3 I r o n -n i t r o g e n e q u i l i b r i u m d i a gr a m 表6 渗氮相形成顺序及相组成物T a b l e 6 N i t r i d i n g p h a s e f o r m a t i o n s e qu e n c e a n d p h a s e c o m -po s i t i o n 渗氮温度/ħ相形成顺序由表及里的相组成物<590αңγ'ңεεңγ'+εңγ'ңα+γ'ңα590~680αңγңγ'ңεεңγ'+εңγ'ңγ+γ'ңγңα+γңα>680αңγңεεңγ+εңγңα+γңα图4 原始组织F i g .4 T h e o r i g i n a l o r ga n i z a t i o n 3.4 钻杆接头螺纹渗层深度测定使用H V S -1000数显显微硬度计,采用硬度法对接头螺纹进行渗氮深度的测定,分析结果如图5所示㊂由图6可知,试验力采用2.94N ,渗层深度图5 渗氮层深度检验F i g .5 D e p t h i n s p e c t i o n o f n i t r i d e d l a ye r D N =0.46m m ,渗层硬度>350H V (基体硬度+50H V ),可表示为0.46D N (350H V 0.3)㊂其中,基体硬度是在距表面3倍渗层深度处测3点硬度,并求平均值作为基体硬度值,此样约为300H V ㊂3.5 钻杆接头螺纹金相组织检验3.5.1 接头螺纹渗氮层脆性检验使用H V S -1000数显显微硬度计,在抛光未腐蚀的状态下,试验力采用98.07N ㊂对接头螺纹进行渗氮层脆性检验,如图6所示,渗氮层脆性为1级㊂图6 渗氮层脆性检验F i g .6 B r i t t l e n e s s i n s p e c t i o n o f n i t r i d e d l a ye r 3.5.2 接头螺纹渗氮层疏松检验使用H V S -1000数显显微硬度计,抛光后在4%的硝酸酒精腐蚀的状态下,放大500倍对接头螺纹进行渗氮层疏松检验㊂如图7所示,渗氮层中化合物层(白亮层)的疏松为2级㊂3.5.3 接头螺纹渗氮层氮化物检验使用H V S -1000数显显微硬度计,抛光后在4%的硝酸酒精腐蚀的状态下,放大500倍对接头螺纹进行渗氮层氮化物检验㊂如图8所示,渗氮层中扩散层的氮化物为2级㊂图7 渗氮层疏松检验F i g .7 P o r o s i t y i n s p e c t i o n o f n i t r i d e d l a yer 图8 渗氮层氮化物检验F i g .8 N i t r i d e i n s p e c t i o n o f n i t r i d e d l a ye r 4 结语钻杆接头螺纹经过表面氮化处理后,渗层深度为0.46m m ,渗层硬度>350H V ;渗氮层脆性等级为1级,压痕边角完整无缺;渗氮层疏松等级为2级,化合物层较致密,表面有少量细点状微孔;渗氮层氮化物等级为2级,扩散层中有较少量呈脉状分布的氮化物㊂钻杆接头渗氮层符合G B /T 113542005中规定的技术要求,满足了客户的需求,使离子渗氮技术得到推广和应用㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1] 侯旭明.热处理原理与工艺[M ].机械工业出版社,2011.H O U X u m i n g .H e a t t r e a t m e n t p r i n c i pl e a n d p r o c e s s [M ].C h i n a M a c h i n e P r e s s ,2011.[2] 付现桥,刘志田,张文浩,等.钻杆接头离子渗氮处理组织和性能研究[J ].当代化工,2014(6):925927.F U X i a n qi a o ,L I U Z h i t i a n ,Z H A N G W e n h a o ,e t a l .M i c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s o f n i t r i d e d l a ye r o b t a i n e d b y i o n n i t r i d i n g o n d r i l l p i pe j o i n t s [J ].C o n t e m p o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y ,2014(6):925927.[3] 葛鹏飞.激光淬火技术在钻杆接头螺纹表面硬化处理的应用[J ].内蒙古石油化工,2015(1):119120.G E P e n g f e i .A p p l i c a t i o n o f l a s e r t e c h n o l o g yi n s u r f a c e h a r d e n i n g t r e a t m e n t o f d r i l l p i pe j o i n t t h r e a d [J ].I n n e r M o n g o l i a P e t r o c h e m i c a l I n d u s t r y,2015(1):119120.[4] 阎利民.气体氮化工艺探究[J ].金属加工(热加工),2009(19):4042.Y A N L i m i n .R e s e a r c h o n g a s n i t r i d i n g t e c h n o l o g y[J ].M e t a l W o r k i n g,2009(19):4042.。
低温化学热处理方法的选用原则
低温化学热处理方法的选用原则在化学热处理方法的选择中，首先应该考虑的是节能减排和环境保护。
在性能许可的情况下，首先选择低温化学热处理。
（1）根据工件的服役条件、失效形式与渗层的特性选择工艺。
碳钢或低合金结构钢工件在低速或轻载荷下工作，但有耐磨要求时，在成品状态选用气体氮碳共渗或盐浴硫氮碳共渗。
低合金结构钢工件，也可采用离子渗氮。
（2）承受重载荷并要求耐磨性与抗疲劳性高，无什么冲击要求的工件，应采用离子渗氮或气体渗氮。
承受中等弯曲、扭转和一定冲击载荷，且工作表面承受磨损的轴类工件，应采用气体氮碳共渗、盐浴硫氮碳共渗或离子渗氮（碳素结构钢工件除外）。
（3）承受很高的弯曲、扭转和一定冲击载荷，工作面易磨损的工件，如大马力柴油机曲轴承受很高的弯曲、扭转和一定冲击载荷，转速高，精度高的工件（如坐标镗床主轴等）应采用气体渗氮或离子渗氮。
（4）用含铬、钼、钒的合金结构钢制造的承受高接触载荷和弯曲应力，只要求变形小的工件（如大模数重载齿轮齿轴等）采用深层离子渗氮或气体渗氮。
（5）要求减摩、自润滑性能高的工件，应选用盐浴硫氮碳共渗。
（6）单纯要求耐蚀性好的工件，可用碳素钢制造并进行抗蚀渗氮，但化合物层应以ε相为主，且致密区厚度在１０μｍ以上。
（7）承受较轻与中等载荷，以粘着磨损为主要失效形式的工件，应采用盐浴硫氮碳共渗或气体氮碳共渗。
（8）以粘着磨损为主要失效形式的模具、刀具，如高精度冲模、冷挤模、拉深模、塑料及非铁金属成形模等和刀具（回火温度低的碳素工具钢、低合金工具钢冷作模具除外），应选用盐浴硫氮碳共渗或气体氮碳共渗。
（9）以热磨损与冷热疲劳为主要失效形式的模具，如铜合金挤压模与压铸型等应采用离子渗氮或气体渗氮。
（10）低温电解渗硫主要用于经过渗碳、淬火、渗氮，整体或表面淬火及调质的工件。
以降低表面摩擦因数，提高抗擦伤、抗咬合能力。
五种低温化学热处理渗层性能的对比见下表1。
表1. 五种低温化学热处理渗层性能的对比渗氮和氮碳共渗的优缺点见下表2。
渗氮零件注意事项
渗氮零件注意事项:
(1)渗氮前的预备热处理调质--渗氮工件在渗氮前应进行调质处理,以获得回火索氏体组织。
调质处理回火温度一般高于渗氮温度。
(2)渗氮前的预备热处理去应力处理--渗氮前应尽量消除机械加工过程中产生的内应力以稳定零件尺寸。
消除应力的温度均应低于回火温度,保温时间比回火时间要长些,再缓慢冷却到室温。
断面尺寸较大的零件不宜用正火。
工模具钢必须采用淬火回火,不得用退火。
(3)渗氮零件的表面粗糙度Ra应小于1.6um,表面不得有拉毛、碰伤及生锈等缺陷。
不能及时处理的零件须涂油保护,以免生锈。
吊装入炉时再用清洁汽油擦净以保证清洁度。
(4)含有尖角和锐边的工件,不宜进行氮化处理。
(5)局部不氮化部位的保护,不宜用留加工余量的方法。
(5)表面未经磨削处理的工件,不得进行氮化。
防止渗氮方法
(1)镀锡法---在防渗表面镀10--15um的锡层,防渗层太薄则效果差,厚了又容易使锡漫流。
(2)涂料法---将锡粉、铅粉、氧化铬粉以3:1:1比例混匀,用氯化锌浴液调成稀糊状涂于零件防渗表面,或用水玻璃(质量分数为10--15％)和石墨粉(质量分数为85--90％)调成糊状涂刷后,缓慢烘干。
(3)工装法----自制专用工装,把不需渗氮的部位封闭密封。
渗氮后的零件,工作表面即能获得高硬度,一般情况下不再进行其他加工,因此常是最后一道工序(氮化后的工件至多再进行精磨或研磨加工)。
可得到600--1200HV的表面硬度,耐磨性很高。
这一高硬度可保持引500C(长期),甚至600C(短期),疲劳极限可提高30--300％,抗蚀性能也得到提高。
离子渗氮的基本原理
离子渗氮的基本原理随着科技的不断发展，离子渗氮技术逐渐成为金属表面处理的一种重要方法。
它采用了离子注入的方式，将氮原子注入金属表面，形成一层坚硬、耐磨的氮化层，从而提高金属的强度和抗磨损性能。
本文将详细介绍离子渗氮的基本原理和工艺流程。
离子渗氮的基本原理就是将金属放置于一个高真空的环境中，通过特定的离子束轰击金属表面，使得氮原子得以在金属表面形成氮化物层。
在过程中，离子束的束流强度、能量和频率都有很重要的影响，需要根据实际情况进行调整。
此外，注氮时要保持一定的温度，以保证金属表面形成的氮化物层具有良好的力学、物理及化学性质。
离子渗氮的工艺流程大概可以分为以下几个步骤：首先是表面处理，将待处理的金属材料表面清洗干净，并进行必要的抛光处理，去除表面的氧化皮、污垢等杂质；其次是将金属材料放置到真空处理室中，并进行预处理步骤，主要是在低气压的环境下对金属表面进行碳化和加热处理；然后是注氮过程，这是离子渗氮的关键步骤，会进行一定时间的高能量离子轰击，确保氮原子充分地注入到金属表面，形成坚硬的氮化物层；最后是处理后的金属材料进行冷却、封装等处理，使其形成稳定的表面氮化物层。
离子渗氮技术的应用非常广泛，可以用于汽车零件、航空零件、工具等领域。
它可以提高金属材料的硬度、耐蚀性、磨损性能，使其在使用过程中更为耐用，增加其使用寿命和安全性能。
此外，离子渗氮还可以用于改善表面润滑和抗疲劳性能，是一种高效、环保的表面处理技术。
综上所述，离子渗氮技术具有诸多优点和广泛的应用前景，是一种高端的表面处理技术，能够显著提高金属材料的品质和性能。
在使用过程中，还需要合理控制温度、时间和注氮强度等参数，以达到最佳的处理效果。
相信通过不断的研究和应用，离子渗氮技术将会在工业生产中发挥越来越重要的作用。
关于离子氮化
关于离子氮化一.离子氮化的基本工艺过程：1.阴极溅射原理：（1）.离子渗氮炉零件为阴极，炉壳为阳极，氨在一定真空度下（1.3*102—103Pa）和一定的极间电压作用下产生电离。
在辉光放电的高压电场作用下，氨被电离成氮正离子.氢正离子及电子，正离子被电场加速轰击表面，一部分转变成热能加热零件，另一部分使离子直接渗入零件或产生阴极溅射。
（2）.被轰击出来的铁原子和得到电子的氮原子化合成FeN并被吸附在零件表面，在高温和继续离子轰击作用下，FeN转变成低价的Fe2N Fe2-3N Fe4N α-Fe （N）等。
氮化铁有什么性质？氮化表面的氮化物对材料性能有什么影响？还会生成其他的一些氮化物吗？2.溅射：离子轰击产生表面原子溅射，并形成薄（0.05mm）的位错层，促进氮原子扩散，改变了氮原子在表面的吸收，离子溅射作用使工件表面得到净化。
3.吸附：在分解成为含氮低的化合物同时，放出活性氮，一部分向零件内部扩散，形成氮化层，另一部分返回重新参加反应，并提高零件表面的氮势，被溅射的铁原子成为有力的“氮载体”.并吸附在零件表面。
4.辉光层：炉气氛中的受激原子恢复基态或电子结合成中性的原子时，发出辉光，形成几毫米厚的辉光层包围零件，氢的辉光呈淡蓝色.氮呈紫色.氨呈紫蓝色。
二．离子渗氮的工艺操作及注意事项：1.同炉处理的工件应为同种或表面积和质量之比接近的工件。
工件至阳极的距离应大致相等，并大于30mm。
工件之间应有足够大的距离并要求均匀，在工件偏低位置放置辅助阴极或辅助阳极，安放试样时应考虑温度，尽量和工件一致。
2.工件上有1-4mm孔槽易引起打弧，D4-10mm的孔槽会造成温度不均匀，锈蚀工件清洗干净后方可入炉。
3.工件装炉后，密封炉盖和放气嘴，接通阴阳极导线。
预热并校正真空计，氨气热分解炉应提前升温。
4.起动真空泵使炉子逐渐达到要求的真空度，并打开气阀充入少量的热分解氨气，使炉压在1.3—13.3Pa左右。
关于离子氮化
关于离子氮化一.离子氮化的基本工艺过程：1.阴极溅射原理：（1）.离子渗氮炉零件为阴极，炉壳为阳极，氨在一定真空度下（1.3*102—103Pa）和一定的极间电压作用下产生电离。
在辉光放电的高压电场作用下，氨被电离成氮正离子.氢正离子及电子，正离子被电场加速轰击表面，一部分转变成热能加热零件，另一部分使离子直接渗入零件或产生阴极溅射。
（2）.被轰击出来的铁原子和得到电子的氮原子化合成FeN并被吸附在零件表面，在高温和继续离子轰击作用下，FeN转变成低价的Fe2N Fe2-3N Fe4N α-Fe（N）等。
2.溅射：离子轰击产生表面原子溅射，并形成薄（0.05MM）的位错层，促进氮原子扩散，改变了氮原子在表面的吸收，离子溅射作用使工件表面得到净化。
3.吸附：在分解成为含氮低的化合物同时，放出活性氮，一部分向零件内部扩散，形成氮化层，另一部分返回重新参加反应，并提高零件表面的氮势，被溅射的铁原子成为有力的“氮载体”.并吸附在零件表面。
4.辉光层：炉气氛中的受激原子恢复基态或电子结合成中性的原子时，发出辉光，形成几毫米厚的辉光层包围零件，氢的辉光呈淡蓝色.氮呈紫色.氨呈紫蓝色。
二．离子渗氮的工艺操作及注意事项：1.同炉处理的工件应为同种或表面积和质量之比接近的工件。
工件至阳极的距离应大致相等，并大于30MM。
工件之间应有足够大的距离并要求均匀，在工件偏低位置放置辅助阴极或辅助阳极，安放试样时应考虑温度，尽量和工件一致。
2.工件上有1-4MM孔槽易引起打弧，D4-10MM的孔槽会造成温度不均匀，锈蚀工件清洗干净后方可入炉。
3.工件装炉后，密封炉盖和放气嘴，接通阴阳极导线。
预热并校正真空计，氨气热分解炉应提前升温。
4.起动真空泵使炉子逐渐达到要求的真空度，并打开气阀充入少量的热分解氨气，使炉压在1.3—13.3Pa左右。
5.闭合高压开关，慢慢升高电压，使零件起辉。
清理阶段开始，一般宜用低气压小电流，高档限流电阻，清理阶段正常为扩散弧；但工件装卡不当，接触不良，小孔槽未屏蔽及表面大块状污，绝缘物引起局部电弧损伤工件。
离子预氧化催渗快速离子渗氮技术
离子预氧化催渗快速离子渗氮技术离子预氧化催渗快速离子渗氮技术（Ion Preoxidation Assisted High-Speed Ion Nitriding Technology）是一种先进的表面处理技术，可在短时间内实现材料表面的高效渗氮，提高材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能。
离子渗氮是一种通过将氮离子注入材料表面来改善材料性能的方法。
传统的离子渗氮技术在渗氮过程中需要较长的时间，并且容易造成材料表面的氮化层厚度不均匀。
而离子预氧化催渗技术通过在渗氮前对材料表面进行预处理，可以加速渗氮过程，同时提高氮化层的均匀性。
离子预氧化催渗快速离子渗氮技术的核心是在渗氮前对材料表面进行氧化处理。
氧化处理可以形成一层薄薄的氧化层，有效地提高材料表面的反应活性。
在离子渗氮过程中，氧化层可以促进氮离子的扩散和吸附，加快渗氮速度。
同时，氧化层还可以起到抑制氮化层生长的作用，提高氮化层的均匀性和致密性。
离子预氧化催渗快速离子渗氮技术的优势主要体现在以下几个方面：1. 快速渗氮：离子预氧化催渗技术可以大大缩短渗氮时间，相比传统的离子渗氮技术，渗氮速度提高了几倍甚至十几倍。
这对于需要快速提高材料性能的应用场景非常有益。
2. 均匀渗氮：离子预氧化催渗技术通过氧化层的形成，可以有效地抑制氮化层的生长，提高氮化层的均匀性。
这对于一些对于氮化层均匀性要求较高的材料特别重要，可以避免因渗氮不均匀而引起的性能差异。
3. 降低温度：离子预氧化催渗技术可以在较低的温度下实现高效渗氮。
这对于一些热敏性材料来说非常重要，可以避免材料因高温处理而发生退火或变形。
4. 易于控制：离子预氧化催渗技术可以通过调节氧化层的厚度和渗氮参数来实现对渗氮过程的精确控制。
这对于不同材料和不同要求的应用来说非常重要，可以根据具体需求进行定制化处理。
离子预氧化催渗快速离子渗氮技术在工业生产中有着广泛的应用前景。
它可以应用于各种金属材料的表面处理，如钢铁、铝合金、钛合金等。
材料与热处理(项目七).答案
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7.3 碳氮共渗
钢的碳氮共渗，就是将碳、氮同时渗入工件表层的化学热处 理过程。按渗剂不同，碳氮共渗可分成气体、液体和固体三种。 国内多采用气体法。按共渗温度不同，又可分为低温 (500℃~560℃、中温(800℃~880 ℃)和高温(900 ℃~950 ℃)三种。 碳氮共渗是渗碳和渗氮工艺的综合，兼有两者的长处，这 种工艺有逐步代替渗碳的趋势。主要优点如下。 (1)渗层性能好。共渗层比渗碳层的耐磨性和疲劳强度更高， 比渗氮层有更高的抗压强度和较低的表面脆性。
7.2 渗氮
离子渗氮的特点是:①可适当缩短渗氮周期，仅为气体渗氮的 1/4~1/3，例如，38CrMoALA钢，氮化层深度若达到0. 53~0. 7mm，气体氮化一般需70 h;而离子渗氮仅需 15~20 h ;②渗氮层脆性小;③可节约能源和氨的消耗量;④ 对不需要渗氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮;⑤离子轰击 有净化表面作用，能去除工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热 钢工件直接渗氮。⑥渗层厚度和组织可以控制。离子渗氮发展 迅速，已用于机床丝杆、齿轮、模具等工件。 (3)抗蚀渗氮。提高工件抗蚀性的渗氮过程称为抗蚀渗氮。抗 蚀渗氮过程与强化渗氮过程基本相同。不过它只要求在工件表 面形成一层致密的ε相层。 ε相比γ’ 相具有更高的化学稳定性。
(1)渗氮前的预备热处理调质。渗氮工件在渗氮前应进行调质 处理，以获得回火索氏体组织。调质处理回火温度一般高于渗 氮温度。 (2)渗氮前的预备热处理和去应力处理。渗氮前应尽量消除机 械加工过程中产生的内应力，以稳定零件尺寸。消除应力的温 度均应低于回火温度，保温时间比回火时间要长些，再缓慢冷 却到室温。断面尺寸较大的零件不宜用正火。工模具钢必须采 用淬火回火，不得用退火。
常用材料离子渗氮
新工艺大幅提高氮化渗层或缩短氮化工艺时间。
本企业通过长时间研究，多次实验后发现一种新的工艺方式。
在单位时间内大幅度提高渗层或缩短工艺时间上有了极大的提高。
主要使用了改变工艺和介质的两中方式。
典型材料和实验结果：注：实验过程为保证结果统一性，是按照同一标准进行实验。
本公司可根据客户技术需要调整工艺时间。
脉冲等离子体渗氮技术渗氮是在一定条件下将氮渗入金属表面从而提高金属材料表面综合机械性能的一种表面热处理方法。
它广泛用于铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢及钛金属等材料的表面强化、提高材料表面硬度、抗疲劳强度、抗腐蚀性能和抗粘接能力。
一、常用的渗氮方法常用的渗氮方法有：固体渗氮、液体渗氮、气体渗氮、脉冲气体渗氮（气体周期改变）、直流等离子体渗氮（又称辉光离子氮化）、脉冲等离子体渗氮（电源周期供电）等。
从渗入的机理来看，主要有两大类：第一类基于浓度梯度：如固体渗氮（已很少采用）、液体渗氮、气体渗氮等，这类渗氮通常采用电炉将采用的含氮介质加热，通过含氮介质传递热能够，使被处理零件达到处理温度，以浓度梯度作为氮元素渗入的驱动力。
第二类基于电场的作用：如直流等离子体渗氮、脉冲等离子体渗氮等。
在一定的真空条件下，通过微量的含氮气体，利用辉光放电产生电子和离子，离子直接轰击零件传递热能，使被处理零件达到处理温度，通过离子、活性原子与表面的复杂作用将氮元素渗入金属表面。
近年来人们通过尝试在真空容器内周期性供气来改善渗氮结果也获得了成功。
其加热方式应归与第一类，这类方式通过气体周期性的变化，能获得更多的活性原子一定程度上改变了渗氮效果，与基于电场的作用有某种类似。
无论是基于第一类还是第二类渗氮原理，尽管氮元素与零件的表面相互作用不尽相同，但在渗入金属内部后渗层深度的增长仍然符合扩散定律。
二、各种渗氮方法优缺点比较我们把几种渗氮方法的特点比较列入下表：在等离子体渗氮工艺产生以前，主要的渗氮方式为：液体渗氮、气体渗氮。
早期的液体渗氮方式含氰化物。
离子渗氮工艺原理
离子渗氮工艺原理【2009-1-8】﹝一﹞钢的渗氮渗氮是把氮渗入钢件的表面，形成富氮硬化层的化学热处理过程。
在工业生产中，常用的工艺方法有：气体渗氮、盐浴渗氮和离子渗氮。
1．渗氮工艺的特点﹝1﹞渗氮后的零件表面具有高的硬度、耐磨性、疲劳强度和低的缺口敏感性。
﹝2﹞渗氮温度较低，一般在500-600℃，而且，渗氮层的高硬度可以由渗氮直接得到，不需要经过较高温度的加热和淬火。
所以，渗氮工艺的变形是最小的，常常作为零件的最后一道工序。
﹝3﹞渗氮层有较高的抗腐蚀性能。
2．渗氮工艺的化学过程渗氮和其他化学热处理工艺一样，也是由分解、吸收、扩散三个基本过程组成的。
﹝1﹞分解渗氮介质﹝通常为氨气﹞通过热分解或其他方法，生成活性氮原子。
﹝2﹞吸收钢表面吸收氮原子，形成氮在铁中的固溶体和氮化物。
﹝3﹞扩散氮从表面高浓度的饱和层向钢内层深处进行扩散，形成一定深度的渗氮层。
3．渗氮层的组织根据Fe-N状态图，渗氮层主要由α、γ、γ，、ε四个相组成。
﹝1﹞α相氮在α-Fe中的间隙固溶体。
最大溶解度为0.1％。
﹝2﹞γ相氮在γ-Fe中的间隙固溶体。
﹝3﹞γ，相为一可变成分的间隙相化合物，含氮量在5.7-6.1％之间，成分符合Fe4-N。
﹝4﹞ε相是含氮量变化范围相当宽的化合物，成分在8.25-11.0％之间变化。
ε相硬度高，脆性大。
4．合金元素的作用碳钢和合金钢中由于碳和合金元素的作用，也影响渗氮层的形成。
碳的存在会使氮的扩散受阻，减小渗氮层的厚度。
钢中大部分合金元素都能形成氮化物，按氮化物的稳定性﹝稳定性越高，硬度也越高﹞次序排列依次为：Ti、Al、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。
所以，为了在表面得到高的硬度和耐磨性，必须向钢中加入能与氮形成稳定氮化物的合金元素。
同时，V、W、Mo、Cr等合金元素还能改善钢的组织，提高心部的强韧性。
合金元素也会使氮的扩散受阻，减小渗氮层的厚度。
﹝二﹞离子渗氮工艺原理离子渗氮渗氮层的形成也是由分解、吸收、扩散三个基本过程组成的。
渗氮工艺
渗氮渗氮，是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。
常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。
传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。
如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。
常用的是气体渗氮和离子渗氮。
目录原理应用气体渗氮离子渗氮氮碳共渗辉光离子氮化渗氮前的处理渗氮前的生产准备原理应用渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。
这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性。
与渗碳工艺相比，渗氮温度比较低，因而畸变小，但由于心部硬度较低，渗层也较浅，一般只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有一定耐热、耐腐蚀要求的机器零件，以及各种切削刀具、冷作和热作模具等。
渗氮有多种方法，常用的是气体渗氮和离子渗氮。
钢铁渗氮的研究始于20世纪初，20年代以后获得工业应用。
最初的气体渗氮，仅限于含铬、铝的钢，后来才扩大到其他钢种。
从70年代开始，渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善，适用的材料和工件也日益扩大，成为重要的化学热处理工艺之一。
气体渗氮一般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的表面硬度。
它适用于38CrMoAl等渗氮钢。
渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。
渗氮温度低，工件畸变小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。
但由于渗氮层较薄，不适于承受重载的耐磨零件。
气体参氮可采用一般渗氮法（即等温渗氮）或多段（二段、三段）渗氮法。
前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。
离子渗氮前预先热处理工艺的制订原则
离子渗氮前预先热处理工艺的制订原则Newmaker为了保证渗氮件心部具有必要的力学性能（也称机械性能），消除加工过程中的内应力，减少渗氮变形，为获得良好的渗氮层组织性能提供必要的原始组织，并为机械加工提供条件，零件渗氮前必须进行不同的预先热处理。
1、氮化工艺参数对预先热处理工艺的要求预先热处理中最后一道工序的加热温度至少要比渗氮温度高20～40℃。
否则，零件在氮化过程中其心部组织及力学性能将发生变化，零件的变形无规律，变形量将无法控制。
2、常用的预先热处理工艺常用的预先热处理工艺有调质、淬火+回火、正火及退火。
调质是结构钢常用的预先热处理工艺，调质的回火温度至少要比渗氮温度高20～40℃。
回火温度越高，工件硬度越低，基体组织中碳化物弥散度愈小，渗氮时氮原子易渗入，渗氮层厚度也愈厚，但渗层硬度也愈低。
因此，回火温度应根据对基体性能和渗层性能的要求综合确定。
调质后理想的组织是细小均匀分布的索氏体组织，不允许存在粗大的索氏体组织，也不允许有较多的游离铁素体存在。
调质引起的脱碳对渗层脆性和硬度影响很大，所以调质前的工件应留有足够的加工余量，以保证机械加工时能将脱碳层全部切除。
对渗氮后要求变形很小的工件，在精加工前（如精磨）还应进行一次或多次稳定化处理，处理温度应低于调质温度而高于渗氮温度。
调质后，若工件的硬度或金相组织不合格，允许返工。
工、模具钢渗氮前的预先热处理一般采用淬火+回火处理。
不锈钢渗氮前的预先热处理一般采用淬火+回火，目的是为了消除加工应力和改善组织。
对硬度要求不高的工件可采用退火处理。
奥氏体不锈钢通常采用固溶处理。
正火预先热处理只适用于对心部强度和韧性要求不高的渗氮件，正火时冷却速度不宜过慢。
尺寸较大的零件不宜采用正火处理，因正火时过慢的冷却速度会产生粗大组织，渗氮后表面硬度低且不均匀。
正火后不合格的工件允许返工。
球铁的预先热处理多采用正火处理。
退火处理在钛合金中运用较多，结构钢中极少采用退火处理。
正火与退火工艺守则
正⽕与退⽕⼯艺守则正⽕与退⽕⼯艺守则结合我⼚现有设备和实际⽣产情况制定本⼯艺守则，其适⽤于我⼚现有各种原材料及半成品的退⽕与正⽕⼯艺⼀、准备⼯作1.检查准备仪表是否正常。
2.核对材料与图纸是否相符，了解零件的技术要求和⼯艺规定3.对表⾯不允许氧化脱碳件采取必要的保护措施4.盐炉返修件要清理表⾯残盐⼆、⼯艺规范常⽤钢材的退⽕温度见表1常⽤材料的正⽕温度见表2有效厚度见《淬⽕回⽕⼯艺守则》保温时间1、电炉保温时间=零件的有效厚度×保温系数2、不同钢种的保温时间见表3●a)碳素钢、合⾦钢正⽕的装炉要求在⼩于或等于⼯艺温度下装炉，随炉升温，合⾦结构钢、合⾦⼯具钢的退⽕要求在550℃以下装炉，随炉升温b)⾼速钢及复杂截⾯差较⼤件易低温装炉，且需在550-700℃间均温1-2⼩时后随炉升温●冷却速度及出炉温度a)碳素钢、合⾦钢退⽕后随炉冷却⾄550℃以下，可出炉空冷b)⾼合⾦钢退⽕冷却速度应不⼤于100℃/⼩时，冷却⾄550℃以下可出炉空冷c)等温退⽕件等温后随炉冷⾄550℃以下出炉空冷，对⼩件及简单件可在等温后直接空冷d)正⽕件在空⽓中散开冷却，不允许堆放或置于潮湿有⽔的地⽅冷却e)为削除⽹状碳化物的正⽕，在700℃以上应采取适当的强制冷却三、加热设备1.我⼚退⽕件、正⽕件加热主要采⽤箱式加热炉，对需保护的零件可采⽤盐炉或渗碳炉2.加热设备及测温装置应符合相关规定四、操作⽅法及注意事项1.零件装炉时应放在预先设置的有效加热区内，装炉量、装炉⽅式应保证零件能均匀加热、冷却且不造成缺陷为原则2.装炉后应检查零件与电热元件确⽆接触⽅可送电升温3.保温时间是从炉⼦升到⼯艺规定温度算起，装炉量⼤时应适当延长4.对细长薄板件，装炉要特别⼩⼼，以防变形五、低温退⽕1.其⼯艺参数如下表六、铸铁热处理退⽕1.针对消除铸铁中⽩⼝的问题⽽制定其⼯艺参数其⼯艺参数如下图：2.升温速度控制在80-100℃/⼩时，降温随炉即可⼆、调质⼯艺守则调质是淬⽕加热加⾼温回⽕的操作简称。
氮化工艺中的事项
离子氮化及优点:离子氮化是由德国人B.Berghaus于1932年发明的。
该法是在0.1～10Torr （Torr = 133.3 Pa）的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极，在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于辉光放电现象便会产生象霓红灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。
此时，已离子化了的气体成分被电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。
同时依靠溅射及离子化作用等进行氮化处理。
离子氮化法与以往的靠分解氨气或使用氰化物来进行氮化的方法截然不同，作为一种全新的氮化方法，现已被广泛应用于汽车、机械、精密仪器、挤压成型机、模具等许多领域，而且其应用范围仍在日益扩大。
离子氮化法具有以下一些优点：①由于离子氮化法不是依靠化学反应作用，而是利用离子化了的含氮气体进行氮化处理，所以工作环境十分清洁而无需防止公害的特别设备。
因而，离子氮化法也被称作二十一世纪的“绿色”氮化法。
②由于离子氮化法利用了离子化了的气体的溅射作用，因而与以往的氮化处理相比，可显著的缩短处理时间（离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮时间的1/3～1/5）。
③由于离子氮化法利用辉光放电直接对工件进行加热，也无需特别的加热和保温设备，且可以获得均匀的温度分布，与间接加热方式相比加热效率可提高2倍以上，达到节能效果（能源消耗仅为气体渗氮的40～70％）。
④由于离子氮化是在真空中进行，因而可获得无氧化的加工表面，也不会损害被处理工件的表面光洁度。
而且由于是在低温下进行处理，被处理工件的变形量极小，处理后无需再行加工，极适合于成品的处理。
⑤通过调节氮、氢及其他（如碳、氧、硫等）气氛的比例，可自由地调节化合物层的相组成，从而获得预期的机械性能。
⑥离子氮化从380℃起即可进行氮化处理，此外，对钛等特殊材料也可在850℃的高温下进行氮化处理，因而适应范围十分广泛。
⑦由于离子氮化是在低气压下以离子注入的方式进行，因而耗气量极少（仅为气体渗氮的百分之几），可大大降低处离子氮化的常见缺陷:一、硬度偏低生产实践中，工件氮化后其表面硬度有时达不到工艺规定的要求，轻者可以返工，重者则造成报废。
热处理工艺中的渗氮处理及其应用
热处理工艺中的渗氮处理及其应用热处理工艺是一种通过改变材料的结构和组织来改善材料性能的工艺。
在热处理中，渗氮处理是其中一种重要的处理方法。
渗氮处理可以在材料表面形成氮化物层，以提高材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能。
本文将介绍渗氮处理的工艺原理、方法及其在各个领域的应用。
一、渗氮处理的工艺原理渗氮处理是通过将材料置于富含氮气的环境中，在高温高压条件下，使氮原子浸入材料表面，与基体材料发生化学反应，形成氮化物层。
这种氮化物层可以显著改善材料的表面性能，从而提高材料的使用寿命和性能稳定性。
二、渗氮处理的方法1. 氨气渗氮法氨气渗氮法是目前应用最广泛的渗氮处理方法之一。
该方法通过将材料放置在密封的渗氮箱中，然后通过加热使氨气分解，释放出活性氮原子。
活性氮原子会在高温下浸入材料表面，并与材料中的金属元素发生反应，形成氮化物层。
2. 离子渗氮法离子渗氮法是一种高速且精密的渗氮处理方法。
该方法利用离子轰击的方式将活性氮原子注入到材料表面，形成硬度更高的氮化物层。
离子渗氮法可以实现快速渗氮，且可以对材料进行定点处理，适用于各种材料的渗氮处理。
三、渗氮处理的应用1. 机械制造领域渗氮处理在机械制造领域中有广泛的应用。
例如，汽车发动机的气门、曲轴和齿轮等零件常常通过渗氮处理来提高其耐磨性和抗疲劳性能。
渗氮处理还可以应用于模具制造中，提高模具的硬度和使用寿命。
2. 刀具制造领域刀具在加工过程中承受较大的切削力和摩擦力，因此渗氮处理是刀具制造领域常用的表面处理方法之一。
通过渗氮处理，刀具的表面硬度得到提高，耐磨性和切削性能大幅度改善，延长了刀具的使用寿命。
3. 轴承制造领域渗氮处理对轴承的制造与使用也具有重要意义。
轴承通过渗氮处理可以提高其耐磨性和抗疲劳性能，减少摩擦损失，提高轴承的使用寿命。
渗氮处理还可以改善轴承的耐腐蚀性能，增加轴承在恶劣环境下的可靠性。
四、结论渗氮处理是热处理工艺中一种有效的表面处理方法。
通过渗氮处理，材料的表面性能得到显著改善，提高了材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能。
离子氮化工艺
离子氮化工艺离子氮化及优点:离子氮化是由德国人B.Berghaus于1932年发明的。
该法是在0.1～10Torr（Torr = 133.3 Pa）的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极，在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于辉光放电现象便会产生象霓红灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。
此时，已离子化了的气体成分被电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。
同时依靠溅射及离子化作用等进行氮化处理。
离子氮化法与以往的靠分解氨气或使用氰化物来进行氮化的方法截然不同，作为一种全新的氮化方法，现已被广泛应用于汽车、机械、精密仪器、挤压成型机、模具等许多领域，而且其应用范围仍在日益扩大。
离子氮化法具有以下一些优点：①由于离子氮化法不是依靠化学反应作用，而是利用离子化了的含氮气体进行氮化处理，所以工作环境十分清洁而无需防止公害的特别设备。
因而，离子氮化法也被称作二十一世纪的“绿色”氮化法。
②由于离子氮化法利用了离子化了的气体的溅射作用，因而与以往的氮化处理相比，可显著的缩短处理时间（离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮时间的1/3～1/5）。
③由于离子氮化法利用辉光放电直接对工件进行加热，也无需特别的加热和保温设备，且可以获得均匀的温度分布，与间接加热方式相比加热效率可提高2倍以上，达到节能效果（能源消耗仅为气体渗氮的40～70％）。
④由于离子氮化是在真空中进行，因而可获得无氧化的加工表面，也不会损害被处理工件的表面光洁度。
而且由于是在低温下进行处理，被处理工件的变形量极小，处理后无需再行加工，极适合于成品的处理。
⑤通过调节氮、氢及其他（如碳、氧、硫等）气氛的比例，可自由地调节化合物层的相组成，从而获得预期的机械性能。
⑥离子氮化从380℃起即可进行氮化处理，此外，对钛等特殊材料也可在850℃的高温下进行氮化处理，因而适应范围十分广泛。
⑦由于离子氮化是在低气压下以离子注入的方式进行，因而耗气量极少（仅为气体渗氮的百分之几），可大大降低处离子氮化的常见缺陷:一、硬度偏低生产实践中，工件氮化后其表面硬度有时达不到工艺规定的要求，轻者可以返工，重者则造成报废。
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离子渗氮前预先热处理工艺的制订原则
为了保证渗氮件心部具有必要的力学性能（也称机械性能），消除加工过程中的内应力，减少渗氮变形，为获得良好的渗氮层组织性能提供必要的原始组织，并为机械加工提供条件，零件渗氮前必须进行不同的预先热处理。
1、氮化工艺参数对预先热处理工艺的要求
预先热处理中最后一道工序的加热温度至少要比渗氮温度高20～40℃。
否则，零件在氮化过程中其心部组织及力学性能将发生变化，零件的变形无规律，变形量将无法控制。
2、常用的预先热处理工艺
常用的预先热处理工艺有调质、淬火+回火、正火及退火。
调质是结构钢常用的预先热处理工艺，调质的回火温度至少要比渗氮温度高20～40℃。
回火温度越高，工件硬度越低，基体组织中碳化物弥散度愈小，渗氮时氮原子易渗入，渗氮层厚度也愈厚，但渗层硬度也愈低。
因此，回火温度应根据对基体性能和渗层性能的要求综合确定。
调质后理想的组织是细小均匀分布的索氏体组织，不允许存在粗大的索氏体组织，也不允许有较多的游离铁素体存在。
调质引起的脱碳对渗层脆性和硬度影响很大，所以调质前的工件应留有足够的加工余量，以保证机械加工时能将脱碳层全部切除。
对渗氮后要求变形很小的工件，在精加工前（如精磨）还应进行一次或多次稳定化处理，处理温度应低于调质温度而高于渗氮温度。
调质后，若工件的硬度或金相组织不合格，允许返工。
工、模具钢渗氮前的预先热处理一般采用淬火+回火处理。
不锈钢渗氮前的预先热处理一般采用淬火+回火，目的是为了消除加工应力和改善组织。
对硬度要求不高的工件可采用退火处理。
奥氏体不锈钢通常采用固溶处理。
正火预先热处理只适用于对心部强度和韧性要求不高的渗氮件，正火时冷却速度不宜过慢。
尺寸较大的零件不宜采用正火处理，因正火时过慢的冷却速度会产生粗大组织，渗氮后表面硬度低且不均匀。
正火后不合格的工件允许返工。
球铁的预先热处理多采用正火处理。
退火处理在钛合金中运用较多，结构钢中极少采用退火处理。
38CrMoAl钢不允许采用退火处理，否则渗层组织中易出现针状氮化物。
对于经过变形（如冲压、锻造、机加工等）的零件，应进行去应力退火处理，以减少渗氮变形。