氮化质量控制

     氮化处理是将氮原子渗入钢铁零件的表面，从而改变钢的表面成分，提高了表面硬度，耐磨、抗蚀性和疲劳强度等性能。氮化处理的主要优点是处理温度比较低，一般为500～570℃之间，因而工件的变形也较小。但氮化处理周期较长，某些钢种在氮化后表面的脆性较大，因而在一定程度上限制了它的使用。

氮化适用于零件要求变形小、耐磨性和表面硬度较高的工件，从减少工时和节能的角度考虑，就不如软氮化和其他一些表面硬化处理了。

氮化时容易产生的质量问题和控制方法如下：

1、组织缺陷及控制

（1）    白亮层

氮化表面形成的ε和γ^，等铁的氮化物不易被浸蚀，而呈现白亮层，具有优良的抗腐蚀性能，白亮层容易剥落。白亮层可通过后续的磨削加工去除。

（2）    粗大脉状和网状氮化物

在氮化扩散层中，常会有白色脉状和网状分布的氮化物，一般是随着氮浓度的增高而响应地脉状变粗，甚至变成网状。

氮化时氮沿晶界扩散速度较大，在温度高、液氨中水份含量大，原始组织晶粒粗大，表面粗糙度大以及零件存在尖角等情况下，将促使渗层出现粗大脉状和网状氮化物。这种组织严重影响了氮化质量，降低耐磨性和疲劳强度，使脆性增加，渗层易剥落。因此，氮化时要注意以下问题：

①不允许零件上有尖角，氮化件表面不能太粗糙，尽可能提高零件表面的光洁度；

②氮化件一定要调质处理，使晶粒尽量均匀细小。氮化前进行稳定化回火，以清除切削加工引起的内应力；

③严格控制炉气中的含水量，控制液氨的含水量；

④氮化温度不易过高，长时间高温氮化会加速粗大脉状和网状氮化物的形成。

（3）    鱼骨状氮化物

表面严重脱碳或原始组织中游离铁素体数量较多的情况下，会出现鱼骨状氮化物，见图1。应严格规范调质处理的工艺过程，防止脱碳，控制铁素体含量。在氮化过程中要经常检查炉子密封性，防止漏气和跑气。保证炉压平稳，分解率稳定，严格控制氨气含水量等。

图1. 氮化时因表面脱碳形成的鱼骨状氮化物（50X）

图2. 氮化时因表面脱碳形成的剥离裂纹(50X)

2、内应力和变形

（1）    内应力

氮原子渗入零件表层，造成氮化层体积增大，表层产生压应力，内部呈现拉应力。零件直径越大，表层的压应力也增大，而内部的拉应力逐渐减小。表面的压应力是氮化能够提高疲劳性能的主要原因。

（2）    变形

    总的说来，氮化引起的变形是不大的。氮化中产生的变形，包括机械加工残余应力引起的变形和氮化处理本身引起的变形。机械加工残余应力应该在氮化前消除，如采用去应力退火等。氮化本身引起的变形，容易产生在薄壁零件以及形状对称性差的零件上，这是由于机械加工表面光洁度不同和气体的置换速度发生波动等原因，致使局部的氮化活性增强或减弱所致。

从变形规律看，氮原子大量渗入钢件表层，使外形尺寸略为胀大，增大程度取决于氮化过程温度、保温时间以及氮化前的热处理情况。如表面有脱碳层，则在同样条件下氮化，不但尺寸膨胀量大，而且，还会形成表层的剥离裂纹,见图2。事实证明，气体氮化温度越高，渗入的氮原子越多，则零件尺寸膨胀得越大。如钢件氮化前预先热处理适当，组织为完全回火索氏体时，则氮化后尺寸变化较均匀而有规律，一般胀大约0.02-0.03mm，若氮化前零件内部有铁素体存在，其膨胀尺寸将要大得多。表层有脱碳现象也一样增大变形量。

零件截面尺寸或厚度不同时，虽然经过同样的工艺过程进行氮化，但胀大的尺寸会有所不同。

此外，若氮化箱中温度不均匀，将可能影响到零件的体积胀缩不一致及氨的分解率，从而导致零件的微小变形。

预防氮化变形的方法：

①对组织应力造成的胀大或缩小，可以通过事先的实验，在氮化前将零件加工到实际要求的尺寸减去胀大量或加大缩小量；

②氮化前采用稳定化回火（高温回火）以消除机械加工造成的残余应力；

③尽可能选用低的氮化温度，炉气流畅稳定，采用阶段升温，随炉冷却至150-200℃出炉；

④装炉力求均衡吊挂平稳。长杆件一定要吊挂得与轴线垂直，必要时设计专用夹具袋；

⑤氮化件避免尖角、棱角，尽可能使氮化面均匀对称。

⑥有些齿圈在氮化前，如果用刚玉砂喷丸硬化，氮化变形将大大减小。

3、表面裂纹

表面ε相含氮量高，很脆，易导致表面裂纹。氮化时氮以化合物的形式，易于在最外层发生富集，当氮化温度过高时，均可能产生这种裂纹缺陷。

为防止氮化工件的表面裂纹，氮化前要注意剔除质量差的钢材；消除零件的尖角和应力集中现象；预处理调质时，在满足淬透的前提下，尽量缓慢冷却并除净脱碳层；在氮化将近终了前2-3h，再次通入氨气或把氮化箱两端完全封闭，再使氮化零件在箱内加热2-3h后冷却下来。

     应指出的是，在退氮处理过程中，也可能产生微小的细条裂纹。这主要是由于氮化铁素体和氮化物的比容不同所引起的，这种裂纹可以在氮化后精磨或研磨时去除。

此外，应注意在初次热处理（正火或退火）时温度不能过高，以防止表面晶粒变粗；减缓各工序的加热速度和冷却速度，以减缓内应力的作用。

至于氮化层的脱壳（剥落），主要原因是氮化层与心部含氮量的突然过渡，所以氮化后需缓慢冷却。如有突然过渡的情况，应将整批零件全部在570-580℃保温4-5回火，炉内保持一定的分解氨。

4、氮化件其他缺陷及预防措施

氮化件其他缺陷的产生原因和改进办法见下表

                                                          朱晓红   2012.03.25

                                                       无锡市产品质量监督检验所