[其他]最优扩散条件动态可控渗氮技术

说明书

所属技术领域：本发明属黑色金属材料表面化学热处理，本发明是一种氮势动态可控渗氮技术，在渗氮过程中，使炉气的氮势跟踪动态控制按一定规律逐渐由高而低地连续变化。

背景技术：普通的渗氮方法采用低的氨分解率（高氮势）进行渗氮处理，在钢铁表面形成化合物层（又称白层），渗层脆性大。已有技术的可控渗氮方法虽然可以抑制渗氮层的脆性，但是存在渗氮速度和有效硬化层深度降低及重现性不良的缺点，成为可控渗氮长期未获解决的两个技术关键。

T·Bell在《Heat    treatment′73》发表了《氨-氢混合气体控制渗氮》的论文，该文指出可以通过降低氮势，减少白层的厚度，并提出了形成白层的氮势门槛值的概念，他所采用的可控渗氮方法在整个渗氮周期中氮势不随时间而变化（氮势恒定值控制），随着氮势控制值降低，虽可使白层厚度减少，如表（1），但渗氮速度和有效硬化层深度也随之下降，见图（1）（图中横坐标是层深，纵坐标是显微硬度，A、B、C、D是与表（1）对应的工艺号）。

表（1）白层厚度与氮势控制值的关系（氮势恒定值控制）

按门槛值控制如图（1）曲线C，虽可获得脆性最小的无白层渗氮层，但有效硬化层深度明显小于普通渗氮如图（1）曲线A，因此T.Bell未能在工业生产中实现无白层渗氮处理，他在生产中采用的可控渗氮方法只能做到将白层厚度控制在5微米以下，仍然需要在渗氮后对零件的关键部位进行手工研磨，以去除该处表面的白层。T.Bell的可控渗氮技术的另一个缺点是重现性不良，其原因在于他忽视了传递系数和具体的渗氮炉有关。T.Bell于一九八三年十一月在上海召开的第三届国际材料热处理年会上发表的总结性论文仍然重提了上述结果，并未提出进一步的改进。

A.B.Bucklye和V.Murawa在《Heat    Treatment    Of    Metals》（1983.NO.3）发表论文，他们用微处理机按预定程序进行温度和氮势的自动控制，在每个渗氮阶段中氨的控制值是固定的。这种方法虽然应用了微机，但其本质上仍然属氮势恒定值控制，因此也不可能克服普通渗氮及T.Bell的可控渗氮方法的缺点。я.g.KoiaH等在《MиTOM》（84.NO.1）提出了一种预测白层与扩散层深度的方法，在此基础上进行了工业纯铁、40Cr、38CrMoAl钢在温度及氮势恒定的条件下进行气体渗氮的电子计算机模拟设计（预测渗氮层各层的深度），他们的方法也属于氮势恒定值控制的范畴。

本发明的目的：本发明的目的在于克服以传统的氮势恒定值控制的缺点，解决可控渗氮技术中长期存在的技术关键，得出一种既能有效地控制渗氮层表面的相组成，降低渗氮层脆性，又能保持高的渗氮速度，有效硬化层深度与普通渗氮相当以及具有良好重现性的动态可控渗氮技术。

本发明的技术内容：本发明是一种氮势动态控制的可控渗氮技术。被处理的渗氮零件放入带有密封炉罐的气体渗氮炉内，用氨气为原料气，分两路通入渗氮炉内，其中一路经过预分解炉起载气的作用，另一炉直接通入炉内起“富化气”的作用，调节后者的流量可调节炉内的氮势。用热导仪或水测法测定炉内的氮势，将测量结果与氮势动态控制曲线进行比较，并及时调节未分解氨的加入量以消除实际氮势与最优扩散条件氮势动态控制曲线之间的偏差，在整个渗氮过程中炉气的氮势跟踪动态控制曲线逐渐由高而低地变化。使得被处理零件表面的含氮量在渗氮初期就达到临界值，并在以后整个渗氮过程中始终保持一种动态平衡，保证从气相渗入工件表面的氮流量与从工件表面向内扩散的氮流量始终相等，从而使工件表面的含氮量既不再升高，也不会降低，始终保持在临界值的水平上，这种动态可控渗氮工艺氮势变化的特征如图（2）所示。（图中（a）为按最优扩散条件得出的氮势控制曲线，r＝，称为氮势，r_c称为临界氮势，（b）为渗氮层随时间t变化的规律，t₁＜t₂＜t₃＜t₄）用这种动态控制技术一方面使工件表面始终不出现白层;另一方面又保证渗氮层表面固溶体内氮浓度始终处于饱和状态，即保持最优扩散条件。因此动态可控渗氮技术既能有效地降低渗氮层脆性又能保持高的渗氮速度，并在工业生产中具有良好的重现性。

实施本发明必须按最优扩散条件可控渗氮数学模型得出氮势动态控制曲线，计算公式如下：