[发明专利]一种无氮化物层(白亮层)气体渗氮工艺

说明书

本发明涉及一种无氧化物层（白亮层）气体渗氮工艺，特别适用于17-4PH类材质的制件，它属于黑色金属表面的气体渗氮类。

在所有工业领域，应用渗氮以提高工件的强度，抗磨性和耐蚀性，早就获得了广泛的应用;另外，由于渗氮件的尺寸和形状的变化也极其微小，故通常可以简化或完全取消其后加工处理。不过渗氮时，在材料表层渗入的氮原子沿晶界和通过晶粒向材料内部作进一步转移，当表层达到了形成γ或ε氮化物的氮浓度时，就会出现氮化物，它从单个晶核开始，迅速连接成一个封闭层，这就是氮化物层或化合物层。俗称“白亮层”或“白层”。它是根据扩散过程由相应的氮的梯度形成的组织。气体渗氮时，白层中的γ相较多而ε氮化物较少。白层虽有较高的硬度，但也带来了脆性高的弊病;有时还会因为出现孔隙而降低了表面硬度。为了减薄乃至取消这一白层，目前在气体渗氮中，人们推荐两段渗氮法和多段供气法。两段渗氮法是由C·F·Floe建议的，其第一段渗氮与主要在520℃之间进行的一段渗氮法一样，此时氮分解率不应超过20～25%，经5～10h，生成约2～5um厚的氮化物层;随后升温至530～550℃区间进行第二段渗氮。同时将氮分解率控制在40～60%，这时白层的形成明显减缓，而白层下的扩散层则不受阻碍地继续生长。这种方法的好处是既减少了氨的消耗（因为是通过减少氨流量来提高分解率的），又能限制白层的厚度。问题是实际上的氨分解率往往不够高，结果还会生成20um左右的氮化物层;另外，为了获得既深且硬度又高的扩散层，在两段处理之间还要进行适当的冷却和继续加热，这就增加了操作上的难度。多段供气法则是要通过供应气体的变化来达到部分或者全部去除氮化物层的目的。第一阶段只通入氮气，而且将处理时间尽量缩短，以减薄生成的氮化物层;第二阶段通入氨气加氮气，而且氨气的体积含量要降到10%以下，虽然第二阶段的处理时间很长，但原先生成的很薄的氮化物层却会继续变薄，甚至完全被除去。但这种方法在具体运用时却不那么容易把握，而且处理的成本也较高。

本发明的目的是提供一种容易把握，便操作且成本较低的无氮化物层气体渗氮工艺，它特别适用于处理17-4PH类不锈钢制件。

本发明的技术特征是：将除油、吹砂和局部保护后的制件装罐，同时向罐内均匀撒少许卤化铵晶粒，然后入炉;在氨分解率为零时，连续通氨1小时再开始升温，按下述条件进行两段处理--a）550±5℃，35～45h，氨分解率30～40%;b）550±5℃，6～10h，氨分解量维持炉内正压;出炉制件立即用热水煮洗以除去残存的卤离子。

所用卤化铵的量，至少为每公斤制件1克。

操作时，每罐装载的制件数量一般为拾件，向罐内均匀撒放的卤化铵晶粒，在炉子升温过程中即会升华（例如：氯化铵升华点340℃，溴化铵452℃，碘化铵250℃），故需注意其蒸汽在管道弯路处冷凝堵塞气路。使用卤化铵的目的是活化待氮化的制件表面。为防止残留在制件上的卤离子的腐蚀作用，出炉的制件应以热水认真煮洗。

本发明的两段渗氮处理，用的是同一处理温度，通的是同一种气体。其中的差异仅仅是处理时间和氨气的分解率。第一阶段的处理时间较长，同时氨分解率较低;第二阶段的处理时间较短，而且氨分解率较高。

以美国材料17-4PH（AMS5355）为例，该种材料的制件在固溶、时效状态下（H1075）按本发明规定的条件进行气体氮化处理，可保证获得深0.12～0.25mm的渗氮层，渗层表面无氮化物层（无白层），表面硬度HR_N15≥91。对于国产材料OC_r17N∶4Cu4Nb的制件，应用本发明的工艺也可获得无白层，渗氮深且表面硬度较高的满意效果。