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- [讨论] 漫谈（三）：脉冲法渗氮（含氮碳共渗）的应用和工艺参数的设定
本帖最后由 一张餐巾纸 于 2010-5-12 07:35 编辑
1，脉冲法气体渗氮（含氮碳共渗，下同）自在我国应用以来，一些电炉制造厂相继开发了有自己特色的专用炉型，取名也是差异，如脉冲真空渗氮炉、真空变压渗氮炉、旋压脉冲渗氮炉等，它所解决实际问题的特殊功能使越来越多的热处理工作者对它感兴趣，受到应用者的认可。
2，多年的应用实践表明，这种工艺方法最突出的优点是解决了带狭缝、小（微）孔、深孔、盲孔的零件渗层不均匀（甚至无渗层）的难题；再一个重要的优点是，增加装载量，在零件之间有点、线、甚至小平面接触不妨碍渗氮质量的完好性。典型的实例如，低碳钢丝制成的粮食筛网，一片一片的，可以叠放；轴承保持架，可以叠放；还有铸铁、不锈钢制活塞环和碎纸机刀片等，目前一些工厂都是用脉冲渗氮法生产的。难度很大的要数油田的注水管（油管），长9 m，内径约70 mm，管子的内外壁都要求进行抗蚀氮化，也是用脉冲渗氮法解决的。可见脉冲渗氮技术的实用性相当良好。
3，至于在一些文章中提到的渗氮速度快、节省氨气等，似乎感觉不到有这方面的优势。特别是节省氨气问题，那要看具体工艺参数的设定情况。所看到的是在同一渗氮炉上同一条件下达到同一技术要求，与常规渗氮法相比，耗氨气量往往更大。在无需使用脉冲法渗氮的场合，还是用常规法渗氮要简便而稳妥一些。
4，关于脉冲渗氮法工艺参数设定问题，目前没有看到专题研究的文献（是寡闻，还是空白？不好说），下面仅就个人使用中的一些零碎经验，谈谈看法。
1）通常脉冲过程中涉及的工艺参数名称有：
上限炉压（MPa） 上保压时间（s）
下限炉压 （MPa、KPa） 下保压时间（s）
脉冲幅度＝上限炉压－下限炉压（MPa）
充气时间：渗剂炉气（氨气＋添加气）通入后炉压由下限升至上限值的时间（min，s）
抽气时间：真空泵抽出炉气至下限炉压值的时间（s）
放气时间： 由高于大气压（＋MPa）放气，炉压降至大气压（0MPa）的时间（s）
脉冲周期：每一次‘抽气——下保压——充气——上保压’过程完成的总时间（min，s）
注：本帖炉压采用相对压力（压强）来表示，即以大气压为0MPa，高于大气压用‘＋’，低于大气压用‘－’。
2）脉冲幅度的选择。脉冲幅度小，每一脉冲周期换气的量少，即耗氨气量小，反之则大。加大脉冲幅度，有益于新炉气激烈填充，新鲜气的钻缝（孔）能力强。然而，实用中究竟要设置多大脉冲幅度，没有相应的数据可查。凭经验，脉冲幅度值取0.05～0.06MPa。幅度过大耗氨气量太大，没有必要，除非有其它特殊考虑。
3）上限压力值的设定。在既定脉冲幅度下，上限压力值的选择点，决定着在哪个压力范围区工作。例如，＋0.06～0MPa（正压区）、＋0.02～－0.03MPa（正负压区）、0～－0.06MPa（负压区）、－0.04～－0.09MPa（负压区）。当然还可以有其它任意的选择区间。然而，选择不同的工作区会对渗层过程和最终质量产生什么样的影响，对我来说，乃是个盲点。而有一点可以肯定，在同一温度下，工作压力区越高，生产白亮层以及渗氮的速度要快一些，特别是要求白亮层较厚，或要求扩散层比较浅的时候，可以缩短一些时间。考虑到炉罐到寿命、工艺过程的稳定性，以及安全上的可靠性，习惯选用的工作区为 0～－0.06MPa。
4）脉冲周期的选择。在一个脉冲周期上，真空泵的抽气速度，或者由正压放气至0MPa，时间是固定的，其它三项可调。
① 充气速度：充气速度在一定范围可以变化，一般说速度越快，新鲜氨气在零件表面冲刷速度也快，渗氮效果好，也是发生渗氮的最佳时间段。 控制在60秒以下为宜。如果充气时间过长容易导致狭缝、孔内壁、零件相互接触处渗层不均匀性增大。
② 上保压时间：这个参数对控制白亮层质量起重要作用。一般在 0～180s范围内选择，通常的考虑是，选择的渗氮温度高，保压时间取短值，反之取长值。氮碳共渗时，在既定温度和总时间的条件下，如果把上保压时间延长，发现白亮层会减薄，达到某个长时间，白亮层会消失；而扩散层深度也有所减小。也就是说，采用延长上保压时间的办法也是实现少无白亮层渗氮的方法之一。
③ 下保压时间：一般在0～15s范围内选取。其目的是使抽气至下限压力值后让剩余炉气的浓度和压力适当均匀一下，特别是处于狭缝、小孔内部的旧气体，减压向外逸出有一个过程，需要一些时间，以便在随后的新鲜气体充入时交换得更好。
（注：如果把上保压时间和下保压时间都设置为0，这时的脉冲压力变化呈锯齿形，脉冲周期最短，耗氨气量最大，在功能上是最强的渗氮能力状态。）
5，由于所见资料稀缺，仅见到一些星星点点的报道，自己的实践经验也极其有限，缺乏系统试验和专题研究数据所支撑的理论依据。所以，以上认识和经验是初步的，肤浅的，甚至是错误的，看者不足为凭。同时也说明，在这项技术上，还是一片荒地，有待于大家努力去开垦，其中有许多工作要做。如果哪位愿意把有相关研究成果和新鲜经验拿出来交流，一定会受到热烈的反响！
6，关于我的热处理‘空间’（http://home.rclbbs.com/space.php?uid=1481&do=blog&vie w=me）所介绍的新型气体渗氮炉，在脉冲渗氮时，电控系统转换为全自动控制形式。
7，该设备还有一些其它功能，如恒高压渗氮、恒低压（真空）渗氮、多元共渗、氮碳共渗后续氧化、蒸汽发蓝（发黑）、保护气氛回火、真空回火等工艺的实施，不再一 一述说，都可以在一定范围内按照热处理工作者的工艺设计方案去完成。至于会得出什么样的结果，或者能发现什么，那就要看使用者掌握的基础知识和夜不能寐产生的灵感了！
（注：我不是生意人，也不是技术保守者，但看到一台进口的能完成少无白亮层渗氮的可控气体渗氮炉，以几十万美元卖给我们，觉得不值 ！‘空间’展示的炉子，是按照‘我想要的’思路，在一位年轻朋友的帮助和共同设计下完成的，试制出来后他免费送给我晚年娱乐用。出于感谢和愉快的心情，把这方面的内容描述一下，借本论坛推荐给有兴趣的同行朋友，与大家分享快乐。一方面交流相关技术，同时也告诉大家，符合国情、功能更好的东西，我们会有的 ！）
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中秋节快乐！
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- liuhuaihe
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