加压脉冲快速气体渗氮工艺的应用实例

1.加压脉冲增速机理

1）增加炉压，氨分解率降低，气氛的活度提高。由于氨分解是体积增加过程，故随着炉压的提高，不利于NH₃的分解，在温度、流量等不变的情况下，随着炉压的提高，炉内氨分压p_NH3提高，氢分压p_H2降低，根据活度α_n与气氛中p_NH3与p_H2的关系式

式中 K——常数。

从而提高炉气的活度α_n。

2）增加炉压，提高氨分子通过边界层的流量。炉气中的氨分子通过扩散，穿过边界层，其扩散流量J应符合菲克第一定律：

式中 D——扩散系数（m²/s）；

c——扩散物质（组元）的质量浓度（原子数/m³或kg/m³）；

x——扩散距离（m）；

——浓度梯度。

“-”号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散组元由高浓度区向低浓度区扩散。

炉内压力的提高，气氛中氨分子浓度增加，使扩散流量J增加，提高了工件表面上的氨分子密度。

3）增加炉压，提高工件表面的吸附量。在一定的温度下，单位质量工件表面对气体的吸附量x/m与压力p的关系，可由弗伦德力希（Freundilich）方程表示。

式中 K、n——常数，0＜n＜1；

m——工件质量。

可见，随着炉内压力的提高，工件表面对氨分子的吸附量随之增加。

4）增加炉压，提高界面反应速度。渗氮过程，可看作是催化反应，假如反应机理是氨分子与金属表面相碰撞，则

式中 E——反应激活能；

R——气体常数；

T——绝对温度。

根据气体分子运动理论，在每平方厘米表面上气体分子碰撞的频率f为

f=Np（2πRTM）^-1/2 （5）(www.xing528.com)

式中 N——常数，其值为6.023×10²³；

p——气体压力；

M——分子量。

将式（5）代入式（4），则

可见界面反应速度与炉气压力成正比。

5）脉冲工艺方式促使边界层的破除。使工件表面能够经常接触新鲜炉气，从而提高界面效应及其渗层的均匀性。

2.加压脉冲快速气体渗氮工艺

采用多功能气体渗氮炉，工作压力为（-0.1～0.1）MPa。图2-13为加压脉冲快速气体渗氮工艺（见图2-13中曲线1）和恒压气体渗氮工艺（见图2-13中曲线2），加压脉冲快速气体渗氮采用电磁阀控制脉冲工艺，其中NH₃流量和脉冲周期不变。与恒压气体渗氮相比，在540℃×6h渗氮条件下，采用加压脉冲快速气体渗氮工艺后，NH₃分解率降低，NH₃消耗量减少，渗层深度和表面硬度均有所提高，且硬度分布合理，渗速可以提高40%左右。

图2-13 两种工艺方式示意

1—加压脉冲快速气体渗氮工艺曲线 2—恒压气体渗氮工艺曲线

3.加压脉冲循环两段气体渗氮工艺

在加压工艺状态下，炉气供氮能力较强。在压力范围、供氨流量、脉冲周期等不变的情况下，以530℃×1.5h+580℃×3.5h为一个工艺循环。不同循环次数的试验结果见表2-45。由表2-45可见，渗氮速度明显提高，如35CrMo钢经15h（3次循环），渗层深度可达0.6mm，而常规工艺需要40h以上。

表2-45 加压脉冲循环两段渗氮试验结果

4.加压脉冲快速气体渗氮工艺应用实例

加压脉冲快速气体渗氮工艺应用实例见表2-46。

表2-46 加压脉冲快速气体渗氮工艺应用实例

表2-47 不同压力状态下的渗氮结果

注：※为各工艺与工艺1（常压）所得渗层深度之比值，表征工艺效果的强弱。