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渗氮热处理时氨分解率与渗氮结果的关系是什么样的?

渗氮热处理时 氨分解率与渗氮结果的关系

关于氨分解率与渗氮结果之间的关系

1,冷氨气进入炉罐中,有两种分解方式,一是受热分解,一是触媒分解。

边受热边分解,分解的速度初期是很快的,当气体温度与炉温接近趋于一致后,氨分解的速度减慢下来,随着时间的延长,仍然以越来越低的速度的进行分解。为了维持规定的氨分解率,就得连续不断地通入适量的氨气,以保证渗氮速度正常进行。

当氮势超过该温度下生成化合物的临界值,经一段时间,表面形成了化合物,有利于渗氮速度的加快。过高的氮势对合金钢来说,只影响化合物的氮浓度(脆性) 和厚度,并不明显影响其扩散层的硬度值。对碳素钢来说,氨分解率对化合物层的硬度和厚度的明显影响,是软氮化工艺中的重要控制因素。

如果停止通氨气,氨分解率会越来越高。炉气的氮势太低了,已经形成的钢表面高浓度 (化合物相) 状态不能继续维持,渗氮速度大幅度下降,但因渗层具有浓度差,仍有向内部扩散的能力。与此同时,化合物层中氮浓度也会慢慢降低,致密的化合物层将发生碎化;化合物层很薄时,可以局部或完全分解(消失)。

2,在既定炉温下,炉罐内各处的实际分解率值是不一样的,氨气的进气口和排气口、炉罐的下部中部和上部、导风套外面与里面都有差别,差别的大小取决于风机的循环能力和气体的走向、零件裝炉状态、炉压大小以及炉子的结构等多方面的因素

我们所测到的氨分解率(氮势值) 只是排气口或氢探头插入部位的数据。

炉罐内循环的气体实际上是新鲜氨气及其快速分解气与存留氨气及其缓慢分解气的混合物,并且呈动态不断变化。所幸的是,只要炉气的氮势值超过该温度下生成化合物的临界氮势,炉罐内各部的氨分解率有一些差别并不明显影响渗氮扩散层的深度和硬度结果。例如,在520℃同条件下渗氮,氨分解率分别为20%和35%,获得的渗氮深度、硬度和金相组织看不出有什么差别。

3,氨气流过钢表面发生分解产生活性氮离子的渗氮机理已经被公认,氨分解率和新鲜氨气流刷过零件表面的速度决定着渗氮的能力。

有时候,在氨流量较小的情况下,氨分解率较低并已经符合工艺要求值,但结果没有出现渗氮层,是由于氨气刷过零件表面的速度不够。这种情况下的氮势值,通常称为 ‘虚氮势’ 。为了具有一定高速的氨气流,每一台炉子都有一个最低通氨量。

零件的裝炉状态要仔细考虑,力求气流分布均匀并到达零件的所有渗氮表面,避免气体短路、堵塞和死角,从而防止有可能出现同炉零件或同一零件上渗氮层不均匀的现象。

在实施少(无)化合物层的渗氮时,要求气体渗氮能力比较小,氮势设定等于或略低于该温度下的门槛值 (或临界氮势)。这时,既要减小氨气的流量,又要保证刷过零件表面的气体有足够高的速度,就得使用添加没有渗氮能力的氨分解气,或者氮气来稀释氨气,同时使总通气量保持一个足够高的水平。这就是通常称谓为的 ‘可控氮化’ 法。

4,氨气的触媒分解也是一个值得高度关注的问题。

氨气刷过零件表面,零件表面有触媒作用,可产生比较多的活性氮离子,对渗氮结果很有好处。零件表面的粗糙度大些,有利于气体在钢表面略微滞留,可以逮住更多一些活性氮离子;粗糙度过低,太光滑,气体的滞留性差,反而难以氮化。

加工表面通常取 Ra 0.4、0.8、1.6 比较适宜。零件表面的清理很重要,是获得高质量渗氮层的必要条件,这方面是各有招数,有好多的故事。表面预氧化、磷化、纳米化是当前应用上效果显著的几种处理方法。

氨气的触媒分解的有害作用,也是令人头痛的问题。普通的奥氏体不锈钢炉罐及其炉内结构件,在工作期间,也会被渗氮,被渗氮的表面对氨气分解有更强的触媒作用,使氨分解率升高。表面渗氮浓度越高,触媒作用越显著。

随着使用时间的增长,同一温度下,氨分解率将越来越高,为维持既定的氨分解率,只得跟随着加大通氨量,耗氨气量急剧增加,最后导致失控。通常叫炉罐 ‘老化’ 。便宜没有好货,尽管国人想了好些方法解决这个问题,如,加热退氮、酸洗、涂料防护等,效果是有的,仍然还是不尽人意。采用镍基合金制作炉罐是当前稳定氨分解率最好的措施,只是价格比较昂贵。

A,氨分解率是温度、时间和压强的函数,随温度升高,时间增长而升高,随压强的升高而下降。有针对性的专用表达公式本人眼下没有找到,但可以看到氨分解率变化曲线的方向和趋势。如果非得要确定氨分解从哪个温度点开始,那还要看压强高低,同一温度下,压强高,分解率低,甚至趋近于零,反之亦然。高压强下,氨气不但不分解,还可以转化为合成,也就是说,在既定压强下,每一个温度点有一个平衡常数 K。

B,还可以这样说,大气压下,-77.7 ℃ 以上,从液氨能够汽化开始,就有氨分解现象出现,只不过从微乎其微开始罢了。

C,在既定温度和压强下,有一条氨分解率——时间函数的抛物线形状的变化曲线。既定温度下,压强不同,这条抛物线的指标数据的位置都不一样。在既定压强下,同理,每一个温度下的氨分解率的曲线位置也不相同。如果非得确定某一固定条件下的氨分解率曲线,只有找到专用公式才能回答。

D,如果再把不同(!)触媒因素叠加上去,如此多因素的庞大系统工程,可以想象得出,已经很复杂的问题将更变得加复杂。

E,工程师的任务就是将复杂的问题简单化。我们是讲应用科学的热处理工作者,不管三七二十一,于生产现场直接检测氨分解率(氮势) 的数据来控制气体渗氮的质量,既直观可靠,又实用有效

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