技能培訓(xùn)資料：氮化處理概述

01氮化處理簡介

傳統(tǒng)的合金鋼料中的鋁、鉻、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，就生成穩(wěn)定的氮化物。尤其是鉬元素，不僅作為生成氮化物的元素，也可以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(qiáng)的氮化物元素，含有0.85~1.5%鋁的滲氮結(jié)果最佳。針對含鉻的鉻鋼而言，如果有足夠的含量，也可以得到很好的效果。但沒有含合金的碳鋼，因為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：

（1）含鋁元素的低合金鋼（標(biāo)準(zhǔn)滲氮鋼）。

（2）含鉻元素的中碳低合金鋼SAE4100，4300，5100，6100，8600，8700，9800系。

（3）熱作模具鋼（含約5%的鉻）SAEH11（SKD-61）H12，H13。

（4）鐵素體及馬氏體系不銹鋼SAE400系。

（5）奧氏體系不銹鋼SAE300系。

（6）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，但其硬化層也很脆。相反的，含鉻的低合金鋼硬度較低，但硬化層比較有韌性，其表面也有相當(dāng)好的耐磨性及耐束性。因此選用材料時，應(yīng)該注意材料的特征，充分利用其優(yōu)點來符合零件的功能。至于工具鋼，如H11（SKD61）D2（SKD-11），即有高表面硬度及高心部強(qiáng)度。

氮化處理的作用是增加鋼件的耐磨性、表面硬度、疲勞極限和抗蝕能力。02技術(shù)流程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，但在滲氮前的最后加工方法中，如果采用拋光、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。此時應(yīng)該采用下列兩種方法之一去除表面層。

第一種方法是在滲氮前首先用氣體去油，然后使用氧化鋁粉將表面做噴砂處理（abrasivecleaning）。

第二種方法即將表面加以磷酸皮膜處理（phosphatecoating）。滲氮爐的排除空氣

將被處理的零件置于滲氮爐中，并將爐蓋密封后即可加熱，但加熱至150℃以前須作爐內(nèi)排除空氣工作。

排除爐內(nèi)空氣的主要作用是防止氨氣分解時與空氣接觸而產(chǎn)生爆炸性氣體，及防止被處理物及支架的表面氧化。其所使用的氣體有氨氣及氮氣二種。

排除爐內(nèi)空氣的要領(lǐng)如下：

①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。

②將加熱爐的自動溫度控制設(shè)定在150℃并開始加熱（注意爐溫不能高于150℃）。

③爐中的空氣排除至10%以下，或排出的氣體含90%以上的NH3時，再將爐溫升高至滲氮溫度。氨的分解率

滲氮是及其他合金元素與初生態(tài)的氮接觸而進(jìn)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(jìn)氨的分解。

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520℃左右。冷卻

大部分的工業(yè)用滲氮爐均具有熱交換機(jī)，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℃，然后將氨的流量增加一倍后開始啟開熱交換機(jī)。此時需注意觀察接在排氣管上的玻璃瓶中是否有氣泡溢出，以確認(rèn)爐內(nèi)的正壓。等候?qū)霠t中的氨氣后，即可減少氨的流量至保持爐中正壓為止。當(dāng)爐溫下降至150℃以下時，即使用前面所述的排除爐內(nèi)氣體法，導(dǎo)入空氣或氮氣后方可啟開爐蓋。

氣體氮化于1923年由德國AFry發(fā)現(xiàn)，將工件置于爐內(nèi)，利用NH3直接輸進(jìn)500～550℃的氮化爐內(nèi)，保持20～100小時，使NH3分解為原子狀態(tài)的氮氣與氫氣，從而進(jìn)行滲氮處理。使鋼的表面產(chǎn)生耐磨、耐腐蝕的化合物層為主要目的，其厚度約為0.02mm，其性質(zhì)為Hv1000～1200，極硬又極脆，NH3的分解率視流量的大小與溫度的高低而有所改變，流量越大則分解度越低，流量越小則分解率越高。溫度越高分解率越高，溫度越低分解率也越低，NH3氣在570℃時經(jīng)熱分解如下：NH3

→N+3/2H2

經(jīng)分解出來的N擴(kuò)散進(jìn)入鋼的表面形成，缺點為硬化層薄而氮化處理時間長。

氣體氮化因為分解NH3進(jìn)行滲氮效率低，故一般均固定選用適用于氮化的鋼種，如含有Al、Cr、Mo等氮化元素，否則氮化無法進(jìn)行，一般使用有JIS、SACM1、新JIS、SACM645及SKD61的強(qiáng)韌化處理，又稱調(diào)質(zhì)。因Al、Cr、Mo等均為提高淬火溫度的元素，故淬火溫度高，回火溫度相較于構(gòu)造用合金鋼高，在氮化溫度長時間加熱之后，發(fā)生回火脆性。故預(yù)先施以調(diào)質(zhì)強(qiáng)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(jì)，用于塑膠射出形機(jī)的送料管及螺旋桿的氮化。03液體氮化

液體氮化主要不同是在氮化層里有Fe3Nε相，F(xiàn)e4Nr相存在而不含F(xiàn)e2Nξ相氮化物，ξ相化合物硬脆在氮化處理上是不良于韌性的氮化物。液體氮化的方法是將被處理工件先除銹，脫脂，預(yù)熱后再置于氮化坩堝內(nèi)，坩堝內(nèi)是以TF-1為主鹽劑，被加熱到560～600℃處理數(shù)小時，依工件所受外力負(fù)荷大小而決定氮化層深度，在處理中，必須在坩堝底部通入一支空氣管以一定量的空氣氮化鹽劑分解為CN或CNO，滲透擴(kuò)散至工作表面，使工件表面最外層化合物8～9%wt的N及少量的C及擴(kuò)散層，氮原子擴(kuò)散入αFe中使鋼件更具耐疲勞性。氮化期間由于CNO的分解消耗，所以不斷要在6～8小時處理中化驗鹽劑成份，以便調(diào)整空氣量或加入新的鹽劑。

液體氮化處理用的材料為鐵金屬，氮化后的表面硬度以含有Al、Cr、Mo、Ti元素的硬度較高，其含金量越多氮化深度越淺，如炭素鋼Hv350～650，不銹鋼Hv1000~1200，氮化鋼Hv800~1100。

液體氮化適用于耐磨及耐疲勞等汽車零件，氣缸套處理、氣門閥處理、活塞筒處理及不易變形的模具。采用液體氮化的國家有西歐各國、美國、日本等。04離子氮化

此方法為將一工件放置于氮化爐內(nèi)，預(yù)先將爐內(nèi)抽成真空達(dá)10-2～10-3

Torr（mmHg）后導(dǎo)入N2氣體或N2+H2混合氣體，調(diào)整爐內(nèi)達(dá)1～10Torr，將爐體接上陽極，工件接上陰極，兩極間通以數(shù)百伏直流電壓，此時爐內(nèi)的N2則發(fā)生光輝放電成正離子，向工作表面移動，在瞬間陰極電壓急劇下降，使正離子以高速沖向陰極表面，將動能轉(zhuǎn)變?yōu)闅饽?，使得工件表面溫度得以上升，因氮離子的沖擊后將工件表面打出Fe、C、O等元素飛濺出來，與氮離子結(jié)合成FeN。由此，氮化鐵逐漸被吸附在工件上而產(chǎn)生氮化作用，離子氮化在基本上是采用氮氣，但若添加碳化氫系氣體則可作離子氮化處理。工件表面氮氣濃度可改變爐內(nèi)充填的混合氣體（N2+H2）的分壓比調(diào)節(jié)得到，純離子氮化時，在工作表面得單相的r′（Fe4N）組織，含N量在5.7~6.1%wt，厚層在10μm以內(nèi)，此化合物層強(qiáng)韌而非多孔質(zhì)層，不易脫落，由于氮化鐵不斷的被工件吸附并擴(kuò)散至內(nèi)部，由表面至內(nèi)部的組織即為FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N順序變化，單相ε（Fe3N），含N量在5.7～11.0%wt，單相ε（Fe2N），含N量在11.0～11.35%wt，離子氮化首先生成r相，再添加碳化氫氣系時使其變成ε相的