滲氮及氮化處理

滲氮滲氮，是在一定溫度下一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。常見有液體滲氮、氣體滲氮、離子滲氮。傳統(tǒng)的氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動的氨氣并加熱，保溫較長時間后，氨氣熱分解產(chǎn)生活性氮原子，不斷吸附到工件表面，并擴散滲入工件表層內(nèi)，從而改變表層的化學(xué)成分和組織，獲得優(yōu)良的表面性能。如果在滲氮過程中同時滲入碳以促進氮的擴散，則稱為氮碳共滲。常用的是氣體滲氮和離子滲氮。原理應(yīng)用滲入鋼中的氮一方面由表及里與鐵形成不同含氮量的氮化鐵，一方面與鋼中的合金元素結(jié)合形成各種合金氮化物，特別是氮化鋁、氮化銘。這些氮化物具有很高的硬度、熱穩(wěn)定性和很高的彌散度，因而可使?jié)B氮后的鋼件得到高的表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗咬合性、抗大氣和過熱蒸汽腐蝕能力、抗回火軟化能力，并降低缺口敏感性。與滲碳工藝相比，滲氮溫度比較低，因而畸變小，但由于心部硬度較低，滲層也較淺，一般只能滿足承受輕、中等載荷的耐磨、耐疲勞要求，或有一定耐熱、耐腐蝕要求的機器零件，以及各種切削刀具、冷作和熱作模具等。滲氮有多種方法，常用的是氣體滲氮和離子滲氮。鋼鐵滲氮的研究始于20世紀初，20年代以后獲得工業(yè)應(yīng)用。最初的氣體滲氮，僅限于含銘、鋁的鋼，后來才擴大到其他鋼種。從70年代開始，滲氮從理論到工藝都得到迅速發(fā)展并日趨完善，適用的材料和工件也日益擴大，成為重要的化學(xué)熱處理工藝之一。氣體滲氮?NHj④:一相界而丘的的擴散羿H-―—[i—曳T飛料瑚in-MHK峻附）一叩（吸附）TH（吸時〕-N（吸二Jf‘；岫he^*4y>-Fc2悶[叫E1:-as-o海色房形成過程示廊圖「|—向護內(nèi)不斷嫡5,冬一氨歸于向金肩表面遷糕參一氯分于被金風(fēng)表面吸附j(luò)—嵬分子在相界血上卜斷增加、和駕.原于⑤一活性原子真含成分于,掛拍界尚反腐的擴散層界與斷點群內(nèi)排出回一茬而吸附的翅原于浴解干爪一?"中尋一覽原于由金期表面向內(nèi)部擴散.井產(chǎn)生一定的詼度分沖?一當(dāng)?shù)^在??&中的游解度目，表層開地推成瓠化物僉―氤化物沿金屬表而的垂直方向和平行奶K夫--S面掖次形成y如和，招爭'一題化居不斷噂原皿一氮.叫短化啊間全房內(nèi)部〃散一般以提高金屬的耐磨性為主要目的，因此需要獲得高的表面硬度。它適用于38CrMoAl等滲氮鋼。滲氮后工件表面硬度可達HV850?1200。滲氮溫度低，工件畸變小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如鏜床鏜桿和主軸、磨床主軸、氣缸套筒等。但由于滲氮層較薄，不適于承受重載的耐磨零件。氣體參氮可采用一般滲氮法（即等溫滲氮）或多段（二段、三段）滲氮法。前者是在整個滲氮過程中滲氮溫度和氨氣分解率保持不變。溫度一般在480?520°C之間，氨氣分解率為15?30%,保溫時間近80小時。這種工藝適用于滲層淺、畸變要求嚴、硬度要求高的零件，但處理時間過長。多段滲氮是在整個滲氮過程中按不同階段分別采用不同溫度、不同氨分解率、不同時間進行滲氮和擴散。整個滲氮時間可以縮短到近50小時，能獲得較深的滲層，但這樣滲氮溫度較高，畸變較大。還有以抗蝕為目的的氣體滲氮，滲氮溫度在550?700C之間，保溫0.5?3小時，氨分解率為35?70%，工件表層可獲得化學(xué)穩(wěn)定性高的化合物層，防止工件受濕空氣、過熱蒸汽、氣體燃燒產(chǎn)物等的腐蝕。正常的氣體滲氮工件，表面呈銀灰色。有時，由于氧化也可能呈藍色或黃色，但一般不影響使用。或黃色，但一般不影響使用。離子滲氮等離子體的物理基礎(chǔ)*這里指的等離子體是一種電離氣體，是由離了、電了和中性粒子所組成的集合體，整體呈現(xiàn)中性。是帶電粒子組成的電離態(tài)，俗稱物質(zhì)的第四態(tài)。離子滲氮、離子沉積屬低溫等離子體。就是等離子體中的重粒子溫度T=TS自由電子溫度）,由于-'般重粒了溫度接近常溫,電子溫度高達10』?1TK,所以這種等離子體稱為非平衡等離子體.為K獲得等離子體，必須使中性粒子電離，在離子沉積中,主要是運用低壓氣體放電的方法獲得等離于體。在低壓氣體放電開始時，總存在有自然電子（初期電子），施以高壓電場后，這種自然電子獲得足夠能量被加速，并與中性粒子碰撞而電離。電離產(chǎn)生的電子又進一步使其他中性的粒了發(fā)生電離，造成連鎖反應(yīng)而形成等離子體。所使用的電場有直流、射頻、微波電場。4.2.1.1等離子體的性質(zhì)等離子體應(yīng)詼說是一個完整的物理體系，宏觀上，等離子體是中性的，具有很高的導(dǎo)電率'在等離子體中的化學(xué)反應(yīng)比熱化學(xué)反應(yīng)容易進行，其帶電粒子在放電空間（氣休）有熱運動、電場作用下的遷移運動和沿帶電粒子濃度遞減方向的擴散運動。4.2.1.2氣體放電的伏安特性曲線陰陽極閭氣體的放電不符合歐姆定律。氣體放電在陰陽極間的電壓與電流關(guān)系如圖4-1伏安特性曲線。在圖4-1中兌點前，陰陽極之間沒有可見電流，處于非自持放電區(qū)；當(dāng)電壓增加到A點時，陰陽極間突然有大電流產(chǎn)生，稱兌點電壓為點燃電壓，陰極部分表面產(chǎn)生了輝光，陰陽極間電壓立即下降到H點，A點后為自持放電區(qū),BCE間為正常輝光放電區(qū)，這時增加電壓或減小限流電阻，陰極表面覆蓋輝光面積增大，電流隨之增加，但在正常輝光放電區(qū)中陰陽極間電壓不變;到C點后，繼續(xù)增大電壓或減少限流電阻，當(dāng)輝光全部覆蓋陰極表面，隨著電流增加，極間電壓也增大，稱CD區(qū)間為異常輝光放電區(qū)'過了D點后，電流突然增大,面此時，極間電壓反而下降，此時輝光熄滅，陰極表面出現(xiàn)強烈的弧光，稱DE區(qū)間為弧光放電區(qū)（在6.3,2節(jié)中還會詳述九當(dāng)氣體性質(zhì)、電極材料、溫度一定時，點燃電壓與壓強p和極間距d的乘積有關(guān)，它有一個最低值，關(guān)系如圖4-2所示，即巴邢曲線。由于電子在兩次碰撞之間的平均路程與氣體密度成反比，即與氣壓/?成反比，所以pXd的值實質(zhì)上是反映出一個電子從陰極到陽極過程中的平均碰撞次數(shù)。電子從陰極到陽極的過程中，碰撞次數(shù)過少，引發(fā)的電離數(shù)就少，不易點燃；相反，碰撞次數(shù)過多，每次碰撞前，其電子加速的路程就短，電子達不到使分子電離所需的速度，因此電離也少。所以碰撞次數(shù)過多或過少都不易點燃，而在某一最佳平均碰撞次數(shù)下,其所需的陰陽極間點燃電壓最低，如圖中巴邢曲線的最低點。UME13,30圖41輝光放電伏安特性曲線圖4-2點燃電壓與pxd值關(guān)系又稱輝光滲氮，是利用輝光放電原理進行的。把金屬工件作為陰極放入通有含氮介質(zhì)的負壓容器中，通電后介質(zhì)中的氮氫原子被電離，在陰陽極之間形成等離子區(qū)。在等離子區(qū)強電場作用下，氮和氫的正離子以高速向工件表面轟擊。離子的高動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱工件表面至所需溫度。由于離子的轟擊，工件表面產(chǎn)生原子濺射，因而得到凈化，同時由于吸附和擴散作用，氮遂滲入工件表面。與一般的氣體滲氮相比，離子滲氮的特點是：①可適當(dāng)縮短滲氮周期；②滲氮層脆性?。虎劭晒?jié)約能源和氨的消耗量；④對不需要滲氮的部分可屏蔽起來，實現(xiàn)局部滲氮；⑤離子轟擊有凈化表面作用，能去除工件表面鈍化膜，可使不銹鋼、耐熱鋼工件直接滲氮。⑥滲層厚度和組織可以控制。離子滲氮發(fā)展迅速，已用于機床絲桿、齒輪、模具等工件。d事心,W丁咽南爾SX猝一人下廠土牧5蟲的誡度刁電離過程。因此可以見到輝光，但仔細觀察發(fā)現(xiàn),輝光從陰極到陽極的分布是不均勻的，其狀況如圖4-3。從陰極到陽極的光層按順序其形成過程為：（1）阿斯頓暗區(qū)：緊靠陰極表面，約1,mm厚，電子從陰極發(fā)射出來，立即進入高電場強度區(qū)，并被加速，由于其剛離開陰極時，速度還很小，不能產(chǎn)生激發(fā)，因此沒有發(fā)光現(xiàn)象。（2）陰極輝區(qū)：電子被加速到足以產(chǎn)生激發(fā)，因而產(chǎn)生輝光.（3）陰極暗區(qū)：電子經(jīng)陰極輝區(qū)后，速度進一步增大，足以產(chǎn)生電離，而激發(fā)很少，因此稱為陰極暗區(qū)。以上三區(qū)與陰極之間具有很大的位降（電位降落兒稱為陰極位降區(qū)。三區(qū)厚度之和即為陰極位降區(qū)必，其厚度與電壓、氣體壓強有關(guān).負輝區(qū)：陰極位降區(qū)電離的電子多數(shù)是慢電子，因多次受非彈性碰撞能量降低，其能量小于電離能。但可產(chǎn)生激發(fā)碰撞和電子與離子間的復(fù)合，因此在此區(qū)中產(chǎn)生大量的激發(fā)發(fā)光和復(fù)合發(fā)光，這就是負輝區(qū)光最強的原因，負輝區(qū)與陰極暗區(qū)有明顯的界限.（5）法拉第暗區(qū)：大部分電子已在負輝區(qū)損失了能量，此區(qū)的電場很弱，電子已無足夠的能量進行明顯的激發(fā)和電離，因此光度很弱。（6）正柱區(qū)：正柱區(qū)中，正負離子數(shù)相等，因此又稱等離子區(qū)，帶電粒子密度一般為圖43輝光放電的發(fā)光分布及各種特性U—阿斯頓暗區(qū)f占一陰極輝區(qū)F4一陰極暗區(qū)？4一負彝區(qū)Fe—法拉第暗區(qū)T了一正柱Eig—陽掇暗區(qū)港一陽極瓣區(qū)10】。?］尸個/cmL正離子遷移率很低，電子遷移率高，因此等離子體區(qū)是一強導(dǎo)體。它在氣體放電中的作用是傳導(dǎo)電流，此區(qū)的電場強度比陰極區(qū)小幾個數(shù)量級。所以電子在等離子體區(qū)主要是作無規(guī)律的自由運動，其運動速度比遷移速度大幾個數(shù)量級，并有大量的非彈性碰撞。3）陽極暗區(qū)：是陽極區(qū)的組成部分，陽極區(qū)包括陽極暗區(qū)和陽極輝區(qū)。（8）陽極輝區(qū)：在等離子體區(qū)的陽極端電子被陽極所吸引，離子被陽極所排斥，在陽極前形成負的空間電荷，電位急劇升高，形成陽極電位，電子在陽極被加速，足以在陽極前產(chǎn)生激發(fā)和電離，形成陽極輝.陽極電位的極性取決于陽極上電子的性質(zhì)：若從陰極跑到陽極端的電子數(shù)大于從等離子區(qū)到陽極的自由運動的電子數(shù)時，陽極電位為正，電子被加速『否則陽極電位為負。輝光放電的一般特征是：（1）發(fā)光顏色因氣體的種類而異。氫輝光呈淡藍色，氮呈紫色，氨呈紫藍色。（2）放電氣壓一般在400-1333.OPa,放電電流密度10一】?10^mA/cm氣（3）高電壓小電流密度的放電。（4）輝光放電主要靠陰極發(fā)射電子t過程來維持。離子轟擊（沖擊）表面處理過程中，主要是工作在異常輝光區(qū)，放電時.陽極位降和陰極位降區(qū)不僅和氣壓p有關(guān)，還與電流密度有關(guān)。陰極全部布滿輝光，電流密度j隨陽極位降K的增加而增加，其關(guān)系為V.-Vh+j4一1式4-1中，K為異常陽極位降；VH為正常輝光位降；，為異常陰極位降時的電流密度；九為正常陰極位降時的電流密度；K為常數(shù).陰極位降區(qū)的寬度或或苛十f4或式4-2中,頂為電流密度，/＞為氣壓垣』為常數(shù)。氨氣在低溫正常輝光放電時=666Pa?mm；p=1333Pa,莊=5mm*=133Pa,義=5mm；/）—13.3Pa,cZt=50mma在伏安特性曲線上，超過1）點為弧光放電，產(chǎn)生弧光放電，就會使被處理的工件遭燒毀.表42是弧光放電與輝光放電的比較，表4-2弧光放電與輝光放電的比較放電特性_輝光放電弧光放電電壓值幾百（伏）幾十（伏）發(fā)光■度弱強電流密度小大陰極發(fā)射電子過程二次電子熱電子成場致電子陰極發(fā)射電子區(qū)域整個陰披局部發(fā)射麒色氣體輝光氣體及陰極材料光譜色能■損耗主要在陰極陽極、陰極、正柱區(qū)

4.2.1.3離子轟擊陰極表面物理、化學(xué)效應(yīng)離子轟擊表面，將發(fā)生一系列的物理、化學(xué)現(xiàn)象。這些現(xiàn)象在離子滲氮和離子氣相沉琳極重要的作用，表4-3列出了其中比較重要的現(xiàn)象。I圖4-4是離子轟擊陰極（工件）時在表面產(chǎn)生的各種現(xiàn)象.除上述談及的陰極濺射、凝附、二次電子發(fā)射、陰極被加熱外，還有氣體的解吸與分解，陰極被加熱后局部區(qū)域的原子擴散,產(chǎn)生的晶格變化和離子注入等現(xiàn)象.4.2.2離子滲氮的特點離子滲氮具有以下優(yōu)點：⑴滲氮速度快（一般為氣體滲氮時間的1/3-1/5）；0）熱效率高，無需外加熱源，靠離于轟擊加I圖4-4是離子轟擊陰極（工件）時在表面產(chǎn)生的各種現(xiàn)象.除上述談及的陰極濺射、凝附、二次電子發(fā)射、陰極被加熱外，還有氣體的解吸與分解，陰極被加熱后局部區(qū)域的原子擴散,產(chǎn)生的晶格變化和離子注入等現(xiàn)象.4.2.2離子滲氮的特點離子滲氮具有以下優(yōu)點：⑴滲氮速度快（一般為氣體滲氮時間的1/3-1/5）；0）熱效率高，無需外加熱源，靠離于轟擊加熱，省能省氣；（3）滲層組織脆性小，易控（通過質(zhì)量流量計,有效控制氮碳含量比，氫氮含量比，可獲脆性小的e單相層或薄薄的韌性『相單相層或僅僅只有擴散層）；（4）處理工件變形小（處理溫度可降至，加上陰極濺射部分抵消了滲氮膨脹、（S）滲層尺寸易精確控制；（6）易實現(xiàn)局部滲氮（不需滲層部分可采用涂覆屏蔽）f處理材料面廣（一般可從黑色金屬到有色金屬和稀有金屬）；I產(chǎn)生離化和中性氮原子2,激射鐵和污圖4-4離子轟擊陰極表面的反應(yīng)。為表面戳射出來的原子3,形成氮化鐵4.沉淀和分解容器第序號物埋化學(xué)現(xiàn)象說明1陰極洪射高能離子盅擊阻極表面時，使陰極表面的中性原子或分子從表面分離（可視作蒸發(fā)過程）2凝附陰極表面策射出來的粒子與靠近表面的等高子體中活性很強的摭原于臺，生成金屬氮化物，且吸附在陰極表面上（又稱背散射）3二次電子發(fā)射（即7過程）離子轟擊陰槌，發(fā)射出二次電子是維持自持放電的必要條件4陰極被羨擊加熱離于轟擊陰極約有75%的能堆轉(zhuǎn)化為熱能，工件靠離子轟擊加熱升溫,離子滲氮、點子沉根，利于膜層原子擴散，膜層的形核長大,獲取致密的等但離子滲氮也有其缺點：設(shè)備較為復(fù)雜，一次性投資、維修、維護費用相對較高;（2）目前難以對工件準(zhǔn)確測溫；（3）對不同形狀、尺寸、材料的零部件難以混合裝爐；（4）對操作入員的技術(shù)水平要求較高,

4.2,3離子滲氮的基礎(chǔ)4.2.3.1Fe-N系和Fe-N-C系狀態(tài)圍FeN系和F^N-C系狀態(tài)圖是離子滲氮處理鋼部件，提高其性能的最重要的基礎(chǔ)。鐵和氮形成氮化物和固溶體是最基本的研究,也是提高鋼制部件最為基本的重要基礎(chǔ)。圖4-5和圖4-6分別是FAN系和F^C系狀態(tài)圖中wFe內(nèi)氮的固溶度極限和碳的固溶度極限。從圖中可知，在590（時，氮在心奐中的溶解度為0.11%（常溫時為0.01%以下山在725X：時，碳在a-Fe中的溶解度為0.022%,□相是具有體心立方晶格的含氮鐵素體,氮位于crFe的晶格的八面體間隙中；丫相是具有面心立方晶格的含氮奧氏體，氮原子無序地分布在八面體的間隙中，氮在y相中最大溶解度為2.8%；590°C時,丫相發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，即了十了、V相的共析含氮量為2.35%。如將了相快速冷卻“相變?yōu)?的體心正方晶格,獲針狀馬氏體，即稱為含氮馬氏體，它是氮在c^Fe中過飽和的固溶體。圖46。-屈內(nèi)碳的固溶度極限圖46。-屈內(nèi)碳的固溶度極限圖4-7圖4-7FeN系中相的硬度/相是廿相回火分解時開始形成的亞穩(wěn)相，/相相當(dāng)于隨回火進行生成穩(wěn)定的F確為體心正方晶格。氮原子分布在（0,0,土）和，號，辛）的位置。W相是以Fe’N為基的固溶體a590^時單相區(qū)位于含氮為5.3。％?5.75%,為面心立方晶格，氮原了有序地分布在單位晶胞中心位置（弟，相在570筆白jZi以F是穩(wěn)定相，高于此溫度變會轉(zhuǎn)變成E相。e相是以Fe~N為基的固溶體，氮濃度范圍很寬（4.55%?11.0%）為密排六方晶格，氮原子分布在類石墨晶格八面體間隙中，65OC發(fā)生共析分解，即EbT+V,共析含氮量為4.5%。&相是以F&N氮化物為基的固溶體，氮原子呈有序分布，斜方晶格點相單相區(qū)位于氮濃度為11.07%?11.35%的范圍內(nèi)，在450￡以下是穩(wěn)定的。表4-4和圖47分別為Fe*系氮化物的性質(zhì)和各相硬度，圖4-8是F^N-C系三元狀態(tài)圖,從圖中可分析出在

離子滲氮時滲層相的組成及成分。滲氮時的a氮化物Fs」N,C）,較大的碳原子（片=0.77X10一孚m）置換部分氮原子（玲=0.從而導(dǎo)致巳相晶格常數(shù)增大。在它相中，原子百分數(shù)C/N比值達到1.20—1.25時，碳叮微量地擴大到￡相區(qū)。e-Fe?,s<NfC）比宅-FgN脆性低，具有較高硬度,耐磨性、耐蝕性好，表4-4FlN系中氮化物的性質(zhì)相結(jié)晶構(gòu)造品格常數(shù)相對密度/g■cm_J含題量ahCaa-Ft體心立方2.8fi61一-_—LS740了yFe面心立方3.57一8,1503.66一.7,78&0aar-FcCN~|體心心方2.85-3.05一2,84―3,10NQJ'一Fe"；Na體心立方5.71一6,29―Y，y-FctN面心立方3.789一-7,225.643.797一7.205.88R.803…7.186.14Cta-Fe?-_3N密排六方2,70一4.3777.21L002.724.3877.177.722.74一4.4147.119.002.77一4.4227,0711.00eE-FmN斜方晶格_2.'花2一4,4227+0511.05表4-5和表4-6是』N-C系中產(chǎn)生氮化物e相而y'相在50。~7。0笆時氮和碳的固溶極限.從圖4-8和表4-5,表4-6中可以看出"'-FrN中氮的固溶極限在500V時為5.4%?6.1%，在600笆時含氮量為5.2%?5.7%,固溶極限變化不大。當(dāng)溫度大于680V時"'相分解。在500?600笆，/相幾乎不固溶碳°e相中氮的固溶極限在FbN系中，當(dāng)溫度為500^時，高達7.7%?1L。%,而在Fe-N-C系中5。0?55OP時，含氮量僅為5%,60。弋時，含氮量為3.6%,相比之下氮的固溶極限減少。e相中的碳含量，在500V時最高為4.1%,600筆時，最高為3.4%,仍有較高的碳固溶。表4-5FfrN-C系中E相覲碳固溶極限溫度/笆含氮景『％含碳量『％5005.0（最低）4.1（最高）5505+0（最低）3.8（最高）6003,5（最低｝3.4（最高）7003.。（最低）3.0（最高）注勇相中氯和碳的總含量占8^-11%M4-6F『N>C系中丫’相的甄碳固溶極限溫J?/r—含氮量/■%含碳置5005.1凡乎不固溶3.2%以下）5505.3~5,9花。號?5算4.2,4離子滲氮的理論離予轟擊陰極材料表面發(fā)生一系列的物理、化學(xué)現(xiàn)象"這些物理化學(xué)現(xiàn)象在整個滲氮過程中的工藝作用是很復(fù)雜的。例如，鬼從氣相轉(zhuǎn)移到固相，并非只有一種途徑，以哪…種作用為主，我們的實踐認為，不能一概而論。它的主次關(guān)系全靠不同輝光的放電條件（如氣體種類、成分、爐壓、電壓等）而定.歸結(jié)起來，離子滲氮的主要理論有：（1）K61bel的濺射與沉積理論：在真空離子滲氮爐的陰陽極加高電壓后，稀薄氣體被電離，形成等離子體，其中N+,H+,NH；等正離子在陰極位降區(qū)被加速，轟擊〔沖擊）工件表面，靠離子轟擊（沖擊），使轟擊的動能轉(zhuǎn)變成熱能，實現(xiàn)加熱處理工件,其中打擊出來的電子，產(chǎn)生二次電子發(fā)散，在陰極上有濺射，打出碳，氟，氧，鐵等，而鐵與陰極附近的活性氮原子形成EeNc由于背散射，又沉積到陰極表面，F(xiàn)eN分解（即FeN—Fe,F鳥F%N）,分解析出的氮原子大部分向鋼鐵內(nèi)擴散滲入，小部分返回等離子體區(qū)，這種滲氮層是通過“陰極氮碳共滲低溫氮碳共滲又稱軟氮化，即在鐵-氮共析轉(zhuǎn)變溫度以下，使工件表面在主要滲入氮的同時也滲入碳。碳滲入后形成的微細碳化物能促進氮的擴散，加快高氮化合物的形成。這些高氮化合物反過來又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促進便加快了滲入速度。此外，碳在氮化物中還能降低脆性。氮碳共滲后得到的化合物層韌性好，硬度高，耐磨，耐蝕，抗咬合。常用的氮碳共滲方法有液體法和氣體法。處理溫度530?570°C，保溫時間1?3小時。早期的液體鹽浴用氤鹽，以后又出現(xiàn)多種鹽浴配方。常用的有兩種：中性鹽通氨氣和以尿素加碳酸鹽為主的鹽，但這些反應(yīng)產(chǎn)物仍有毒。氣體介質(zhì)主要有：吸熱式或放熱式氣體（見可控氣氛）加氨氣；尿素?zé)岱纸鈿?；滴注含碳、氮的有機溶劑，如甲酰胺、三乙醇胺等。氤化cyaniding，指高溫碳氮共滲（早期的碳氮共滲是在有毒的氤鹽浴中進行）。由于溫度比較高，碳原子擴散能力很強，所以以滲碳為主，形成含氮的高碳奧氏體，淬火后得到含氮高碳馬氏體。由于氮的滲入促進碳的滲入，使共滲速度較快，保溫4?6h可得到0.5?0.8mm的滲層，同時由于氮的滲入，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，加上共滲溫度比較低，奧氏體品粒不會粗大，所以鋼件碳氮共滲后可直接淬油，滲層組織為細針狀的含氮馬氏體加碳氮化合物和少量殘余奧氏體。碳氮共滲層比滲碳層有更高的硬度、耐磨性、抗蝕性、彎曲強度和接觸疲勞強度。但一般碳氮共滲層比滲碳層淺，所以一般用于承受載荷較輕，要求高耐磨性的零件。氮碳共滲不僅能提高工件的疲勞壽命、耐磨性、抗腐蝕和抗咬合能力，而且使用設(shè)備簡單，投資少，易操作，時間短和工件畸變小，有時還能給工件以美觀的外表。輝光離子氮化

一、優(yōu)點：滲氮時間短，質(zhì)量容易控制，氮化層耐疲勞、有高強度，由于氮化溫度在520-540，所以工件變形小，表面抗磁性高。二、缺點：設(shè)備控制復(fù)雜，爐溫均勻性不好。滲氮脆性檢驗級別1滲氮層脆性級別說明1壓痕邊角完整無缺2壓痕一邊或一角碎裂3壓痕二邊或二角碎裂4壓痕三邊或三角碎裂5壓痕四邊或四角碎裂b、滲氮層脆性檢驗一般采用維氏硬度計，試驗力10公斤，試驗力的加載必須緩慢（在5-9S內(nèi)完成），試驗力加載完成后必須停留5-10S，然后卸載試驗力，特殊情況也可采用5KG或者30KG試驗力。c、維氏硬度壓痕在顯微放大100倍下進行檢查，每件至少測3點，其中兩點以上處于相同級別時，才能定級。否則需重新檢驗。d、滲氮層脆性應(yīng)在零件工作部位或隨爐試樣的表面上檢測，一般零件為1-3級為合格，重要零件1-2級為合格，對于滲氮后留有磨痕的零件，也可在磨去加工余量后的表面上進行測定e、經(jīng)氣體滲氮后的零件，必須進行檢驗。玨加T.余星itTLti二7此1】匚j?L加I州一L蘭其【~imni-■5mm~場扎H嘰械MT.余童0.2mm-■[〕,KEm'-—]_一一J聲-J―七'一1[ffiS±W_L-,?[.箜—暨性一二■一J-禎哨木皓樓禽原古面I11才南曲小2|圖5-33/瘩氯零件伯

踴「?藝流程簡將滲氮前的處理在滲氮零件的整個制造過程中，滲氮往往是最后一道工序，全多再進行精磨或研磨。滲氮零件的工藝流程一般為：鍛造一正火（退火）一粗加工一調(diào)質(zhì)一精加工一去應(yīng)力一精磨一滲氮一精磨一裝配。氮化前的預(yù)熱處理包括正火（退火）、調(diào)質(zhì)處理、去應(yīng)力。正火（退火），其目的是細化品粒、降低硬度、消除鍛造應(yīng)力。調(diào)質(zhì)處理，可以改善鋼的加工性能，獲得均勻的回火索氏體組織，以保證零件心部有足夠的強度和韌性，同時又能使?jié)B氮層和基本結(jié)合牢固。去應(yīng)力處理，對于形狀復(fù)雜的精密零件，在滲氮前應(yīng)進行1?2次去應(yīng)力，以減少滲氮過程中的變形。滲氮前的生產(chǎn)準(zhǔn)備去污處理。零件裝爐前要用汽油或酒精進行脫脂、去污處理，零件表面不允許有銹蝕及臟污。防滲處理。對零件非滲氮部分，可用電鍍或涂料法進行防滲氮處理。滲氮件的表面質(zhì)量應(yīng)良好，不允許有脫碳層存在，因此，零件在預(yù)先熱處理前應(yīng)留有足夠的加工余量，以便在滲氮前的機加工能將脫碳層全部去除，以保證滲氮層的質(zhì)量。

裝爐前檢查設(shè)備和滲氮夾具、電系統(tǒng)、管道、氨分解測定儀等應(yīng)保證正常使用；滲氮夾具不允許有贓物或氧化皮，如有應(yīng)清除。隨爐試樣。隨爐的試樣應(yīng)與滲氮零件通材料并經(jīng)過同樣的預(yù)先處理。③滲氮工藝常用的氣體滲氮工藝有等溫滲氮、二段式滲氮和三5￡|-5其III心用…段語鬻?匚藝段式滲氮三種方法。等溫滲氮也稱一段式滲氮法。它是在恒溫下進行長時間保溫的滲氮工藝，滲氮溫度510~530°C，其滲氮工藝曲線如圖2-42所示。第一階段保溫15~20h，為吸氮階段。這一階段采用較低的氨分解率(18%25%)。零件表面因洗后大量氮原子而與零件心部形成氮濃度差。第二階段為擴散階段。在這個階段為家少活性氮原子的數(shù)量而將氨分解率提高到30%~40%，保溫時間在60h左右。為減少滲氮層的脆性，在滲氮結(jié)束前2~4h進行退氮處理，氨分解率提高到70%以上，退氮溫度提高到560~570C。Iti2—心,甥輯二段海景工￡等溫滲氮工藝過程簡單，滲氮溫度較低、滲層淺、零件變形小、表面硬度高，但滲氮速度慢，產(chǎn)生周期長，適用于滲氮深度淺，尺寸精度和硬度要求高的零件。兩段式滲氮兩段式滲氮工藝曲線如圖2-43所示。第一階段的工藝參數(shù)(除保溫時間外)與等溫滲氮相同。第二階段把滲氮溫度提高到550?560C，以加速氮原子的擴散，縮短滲氮周期，氨分解率提高到40%?60%。

根據(jù)對滲氮層的脆性要求，急速前也應(yīng)提前2h提高氨分解率和溫度進行退氮處理。兩段式滲氮的時間比等溫滲氮短，表面硬度稍微低，變形略有增大，適用于滲氮層較深批量較大的零件。三段式滲氮三段式滲氮工藝曲線如圖2-44所示。FH2—JJWr'MUAlH三找惜抓|Z它是在二段式滲氮基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這種工藝是將第二階段的溫度適當(dāng)提高，以加快滲氮過程，同時增加較低溫度的第三階段，以彌補因第二階段氮的擴散快而使表面氮濃度過低，保證表面含氮量以提高表面硬度。三段式滲氮能進一步提高滲氮速度，但硬度比一般滲氮工藝低，脆性、變形等比一般滲氮工藝略大。襄A33-43?-股、兩0、三段昨■港的比較澎知工■氤層躁度mm表面磴度HV溫S/C時間Jh一段（等旗、單程）誨?法510205215-Z520-300.51-0*56抑37兩段（兩程用氤法15101550244815-2530—400.55—0.430561B1U2215-25三題ifi氟世15&04535-50Oi$5—Q74856■540530?M氮化處理

經(jīng)氮化處理后的工件氮化處理是指一種在一定溫度下一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。經(jīng)氮化處理的制品具有優(yōu)異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫的特性。目錄展開冬本文源自寧波奇威金屬科技材料運用研究所，劉先化引；常見有液體滲氮、氣體滲氮、離子滲氮。氮化處理又稱為擴散滲氮。氣體滲氮在1923年左右，由德國人Fry首度研究發(fā)展并加以工業(yè)化。由于經(jīng)本法處理的制品具有優(yōu)異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫，其應(yīng)用范圍逐漸擴大。例如鉆頭、螺絲攻、擠壓模、壓鑄模、鍛壓機用鍛造模、螺桿、連桿、曲軸、吸氣及排氣活門及齒輪凸輪等均有使用。氮化用鋼簡介傳統(tǒng)的合金鋼料中之鋁、格、釩及鉬元素對滲氮甚有幫助。這些元素在滲氮溫度中，與初生態(tài)的氮原子接觸時，就生成安定的氮化物。尤其是鉬元素，不僅作為生成氮化物元素，亦作為降低在滲氮溫度時所發(fā)生的脆性。其他合金鋼中的元素，如鎳、銅、硅、錳等，對滲氮特性并無多大的幫助。一般而言，如果鋼料中含有一種或多種的氮化物生成元素，氮化后的效果比較良好。其中鋁是最強的氮化物元素，含有0.85?1.5%鋁的滲氮結(jié)果最佳。在含格的格鋼而言，如果有足夠的含量，亦可得到很好的效果。但沒有含合金的碳鋼，因其生成的滲氮層很脆，容易剝落，不適合作為滲氮鋼。一般常用的滲氮鋼有六種如下：含鋁元素的低合金鋼(標(biāo)準(zhǔn)滲氮鋼)含格元素的中碳低合金鋼SAE4100，4300，5100，6100，8600，8700，9800系。熱作模具鋼(含約5%之格)SAEH11(SKD-61)H12，H13肥粒鐵及麻田散鐵系不銹鋼SAE400系

奧斯田鐵系不銹鋼SAE300系析出硬化型不銹鋼17-4PH,17-7PH,A-286等含鋁的標(biāo)準(zhǔn)滲氮鋼，在氮化后雖可得到很高的硬度及高耐磨的表層，但其硬化層亦很脆。相反的，含格的低合金鋼硬度較低，但硬化層即比較有韌性，其表面亦有相當(dāng)?shù)哪湍バ约澳褪男?。因此選用材料時，宜注意材料之特征，充分利用其優(yōu)點，俾符合零件之功能。至于工具鋼如H11(SKD61)D2(SKD-11)，即有高表面硬度及高心部強度。氮化處理技術(shù)流程：1、滲氮前的零件表面清洗大部分零件，可以使用氣體去油法去油后立刻滲氮。部分零件也需要用汽油清洗比較好，但在滲氮前之最后加工方法若采用拋光、研磨、磨光等，即可能產(chǎn)生阻礙滲氮的表面層，致使?jié)B氮后，氮化層不均勻或發(fā)生彎曲等缺陷。此時宜采用下列二種方法之一去除表面層。第一種方法在滲氮前首先以氣體去油。然后使用氧化鋁粉將表面作abrasivecleaning。第二種方法即將表面加以磷酸皮膜處理(phosphatecoating)。2、滲氮爐的排除空氣將被處理零件置于滲氮爐中，并將爐蓋密封后即可加熱，但加熱至150°C以前須作爐內(nèi)排除空氣工作。排除爐內(nèi)的主要功用是防止氨氣分解時與空氣接觸而發(fā)生爆炸性氣體，及防止被處理物及支架的表面氧化。其所使用的氣體即有氨氣及氮氣二種。排除爐內(nèi)空氣的要領(lǐng)如下：被處理零件裝妥后將爐蓋封好，開始通無水氨氣，其流量盡量可能多。將加熱爐之自動溫度控制設(shè)定在150C并開始加熱(注意爐溫不能高于150C)。爐中之空氣排除至10%以下，或排出之氣體含90%以上之NH3時，再將爐溫升高至滲氮溫度。3、氨的分解率滲氮是鋪及其他合金元素與初生態(tài)的氮接觸而進行，但初生態(tài)氮的產(chǎn)生，即因氨氣與加熱中的鋼料接觸時鋼料本身成為觸媒而促進氨之分解。雖然在各種分解率的氨氣下，皆可滲氮，但一般皆采用15?30%的分解率，并按滲氮所需厚度至少保持4?10小時，處理溫度即保持在520C左右。

4、冷卻大部份的工業(yè)用滲氮爐皆具有熱交換機，以期在滲氮工作完成后加以急速冷卻加熱爐及被處理零件。即滲氮完成后，將加熱電源關(guān)閉，使?fàn)t溫降低約50°C,然后將氨的流量增加一倍后開始啟開熱交換機。此時須注意觀察接在排氣管上玻璃瓶中，是否有氣泡溢出，以確認爐內(nèi)之正壓。等候?qū)霠t中的氨氣安定后，即可減少氨的流量至保持爐中正壓為止。當(dāng)爐溫下降至150C以下時，即使用前面所述之排除爐內(nèi)氣體法，導(dǎo)入空氣或氮氣后方可啟開爐蓋。氣體氮化技術(shù)：氣體氮化系于1923年由德國AFry所發(fā)表，將工件置于爐內(nèi)，利NH3氣直接輸進500?550C的氮化爐內(nèi)，保持20?100小時，使NH3氣分解為原子狀態(tài)的（N）氣與（H）氣而進行滲氮處理，在使鋼的表面產(chǎn)生耐磨、耐腐蝕之化合物層為主要目的，其厚度約為0.02?0.02m/m，其性質(zhì)極硬Hv1000?1200，又極脆，NH3之分解率視流量的大小與溫度的高低而有所改變，流量愈大則分解度愈低，流量愈小則分解率愈高，溫度愈高分解率愈高，溫度愈低分解率亦愈低，NH3氣在570C時經(jīng)熱分解如下：NH3一〔N）Fe+2/3H2經(jīng)分解出來的N，隨而擴散進入鋼的表面形成。相的Fe2-3N氣體滲氮，一般缺點為硬化層薄而氮化處理時間長。氣體氮化因分解NH3進行滲氮效率低，故一般均固定選用適用于氮化之鋼種，如含有Al，Cr，Mo等氮化元素，否則氮化幾無法進行，一般使用有JIS、SACM1新JIS、SACM645及SKD61以強韌化處理又稱調(diào)質(zhì)因Al，Cr，Mo等皆為提高變態(tài)點溫度之元素，故淬火溫度高，回火溫度亦較普通之構(gòu)造用合金鋼高，此乃在氮化溫度長時間加熱之間，發(fā)生回火脆性，故預(yù)先施以調(diào)質(zhì)強韌化處理。NH3氣體氮化，因為時間長表面粗糙，硬而較脆不易研磨，而且時間長不經(jīng)濟，用于塑膠射出形機的送料管及螺旋桿的氮化。五、液體氮化技術(shù)：液體軟氮化主要不同是在氮化層里之有Fe3Ns相，F(xiàn)e4Nr相存在而不含F(xiàn)e2Ng相氮化物，&相化合物硬脆在氮化