滲氮與氮化處理

1、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(dòng)的 氨氣并加熱，保溫較長時(shí)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(kuò)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(shí)滲入碳以促進(jìn)氮的擴(kuò)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、氮化鑄。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

2、件得到高的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、 抗咬合性、抗大氣和過熱蒸 汽腐蝕能力、抗回火軟化能力，并降低缺敏感性。與滲碳工 藝相比，滲 氮溫度比較彳氐，因而畸變小，但由于心部硬度較彳氐，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(jī)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(jì)初，20年代以后獲得工業(yè)應(yīng)用。最初的氣體滲氮， 僅限于含錚、鋁的鋼，后來才擴(kuò)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(kuò)大，成為重要的化學(xué)熱處理工藝之學(xué)習(xí)參考

3、氣體滲氮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 38CrMoAI等滲氮鋼。滲氮后工件表面硬度可達(dá)HV8501200。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，如錘床鏗桿和主 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(gè)滲氮過程中滲氮溫度和氨氣分解率保持不變。溫度一般在480520C之間,氨 氣分解率為1530%,保溫時(shí)間近80小時(shí)。這種工藝適用于滲層淺、畸變要求嚴(yán)、硬 度要求高的零件，但處理時(shí)間過長。多段滲氮是在整個(gè)滲氮過程中按不同階段分別

4、采用 不同溫度、不同氨分解率、不同時(shí)間進(jìn)行滲氮和擴(kuò)散。整個(gè)滲氮時(shí)間可以縮短到近50 小時(shí)，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550700C之間，保溫0.53小時(shí)，氨分解率為3570%，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(shí)，由于氧化也可能呈藍(lán)色或黃色，但一 般不影響使用。離子滲氮又稱輝光滲氮，是利用輝光放電原理進(jìn)行的。把金屬工件作為陰極放入通有含氮介質(zhì)的 負(fù)壓容器中，通電后介質(zhì)中的氮?dú)湓颖浑婋x，在陰陽極之間形成等離子區(qū)。在等離子 區(qū)強(qiáng)電場作用下，氮和氫

5、的正離子以高速向工 件表面轟擊。離子的高動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?加熱工件表面至所需溫度。由于OQ0電謊/A圖4 1綁光枚電伏安特性曲線00.6713313,30pXc/kPa-mm散作用，氮遂滲入工件表面。適當(dāng)縮短I灘嚅贊擁閽部箱手灘嘶匪険面醐櫃，可使不銹鋼、耐瀕鋼檢禾lot觀3組綢町以魏超超棣昭輪、模具等工件局部滲氮；離子轟擊有凈化表面作用，學(xué)習(xí)參考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(shí)也滲入碳。碳滲入后形成的微細(xì)碳化物能促進(jìn)氮的擴(kuò)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(jìn)便加快了滲入速度。此外，碳 在氮化物

6、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530570C，保溫時(shí)間13小時(shí)。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(jī)溶劑，如甲酰 胺、三乙醇胺等。氟化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(jìn)行）。 由于溫度比較高，碳原子擴(kuò)散能力很強(qiáng)，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(jìn)

7、碳的滲入，使共滲速度較快，保溫46h可得到 0.50.8mm的滲層，？同時(shí)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，奧氏體晶粒不會(huì)粗大，所以鋼件碳氮共滲后可直接淬油，滲層組織為細(xì)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(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)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(shí)間短和工件畸變小，有時(shí)還能給工件以美觀的外表。輝光離子氮化學(xué)習(xí)參考一、優(yōu)點(diǎn)：滲氮時(shí)間短，質(zhì)量容易控制，氮

8、化層耐疲勞、有高強(qiáng)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(diǎn)：設(shè)備控制復(fù)雜，爐溫均勻性不好。滲氮脆性檢驗(yàn)級(jí)別滲氮層脆性級(jí)別說明壓痕邊角完整無缺1壓痕一邊或一角碎裂2壓痕二邊或二角碎裂 壓痕三邊或三角碎裂 壓痕四邊或四角碎裂b、 滲氮層脆T生檢驗(yàn)一般采用維氏硬度計(jì)，試驗(yàn)力10公斤，試驗(yàn)力的加載必須緩慢（在5-9S內(nèi)完成），試驗(yàn)力加載完成后必須停留5-10S，然后卸載試 驗(yàn)力，特殊情況也可采用5KG或者30KG試驗(yàn)力。c、 維氏硬度壓痕在顯微放大100倍下進(jìn)行檢查，每件至少測3點(diǎn)，其 中兩點(diǎn)以上處于相同級(jí)別時(shí)，才能定級(jí)。否則需重新檢驗(yàn)。d、滲氮層脆性應(yīng)在零件工作部位

9、或隨爐試樣的表面上檢測，一般零件為3級(jí)為 合格，重要零件1-2級(jí)為合格，對(duì)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(jìn)行測定e、經(jīng)氣體滲氮后的零件，必須進(jìn)行檢驗(yàn)。滲氮前的處理在滲氮零件的整個(gè)制造過程中，滲氮往往是最后一道工序，至多再進(jìn)行精磨或研磨。滲氮零件的工藝流程一般為：鍛造f正火（退火）粗加工調(diào)質(zhì)f精加工f去應(yīng)力f精 磨f滲氮精磨裝配。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。a正火（退火），其目 的是細(xì)化晶粒、降低硬度、消除鍛造應(yīng)力。b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(qiáng)度和韌性，同時(shí)又能使?jié)B氮層和基本結(jié) 合牢固。c去

10、應(yīng)力處理，對(duì)于形狀復(fù)雜的精密零件，在滲氮前應(yīng)進(jìn)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a去污處理。零件裝爐前要用汽油或酒精進(jìn)行脫脂、去污處理，零件 表面不允許有銹蝕及臟污。b防滲處理。對(duì)零件非滲氮部分，可用電鍍或涂料法進(jìn)行防 滲氮處理。c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(jī)加工能將脫碳層全部去除，以保證滲氮層 的質(zhì)量。d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。e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)先處理常用的氣休滲

11、氮工藝有等溫滲氮、二段式滲氮和三段式滲氮三種方法。a等溫滲氮也稱一段式滲氮法。它是在恒溫下進(jìn)行長時(shí)間保溫的滲氮工藝，滲氮溫 度510530C，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o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(kuò) 散階段。在這個(gè)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(shí)間 在60h左右。為減少滲氮層的脆，性，在滲氮結(jié)束前24h進(jìn)行退氮處理，氨分解率提高到70%以 上，退氮溫度提高到560570C。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

12、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。b兩段式滲氮兩段式滲氮工藝曲線如圖2-43所示o第一階段的工藝參數(shù)(除保溫 時(shí)間外)與等溫滲氮相同。第二階段把滲氮溫度提高到550560C，以加速氮原子的擴(kuò) 散，縮短滲氮周期，氨分解率提高到40%60%。根據(jù)對(duì)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(jìn)行退氮處理。兩段式滲氮的時(shí)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。c三段式滲氮三段式滲氮工藝曲線如圖244所示。14an X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(shí)增加較彳

13、氐溫度的第三階段，以彌補(bǔ)因第二階段氮的擴(kuò)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(jìn)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。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。目錄展開本文源自寧波奇威金屬科技材料運(yùn)用研究所，劉先生131 23 822 600氮化引；常見有液體滲 氮、氣體滲氮、離子滲氮。氮化處理又稱為擴(kuò)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

14、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(kuò)大。例如鉆頭、螺絲攻、擠壓模、壓鑄模、鍛壓機(jī)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、鑄、鈕及鉗元素對(duì)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(shí)，就生成安定的氮化物。尤其是鉗元素，不僅作為生成氮化物元素，亦作為降低在滲氮溫 度時(shí)所發(fā)生的脆性。其他合金鋼中的元素，如鎳、銅、硅、鎰等，對(duì)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0.851.5%鋁的滲氮結(jié)果最佳。在含路的縮鋼而

15、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：(1) 含鋁元素的低合金鋼(標(biāo)準(zhǔn)滲氮鋼)(2) 含箔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%之鑄)SAEH11 ( SKD - 61 ) H12 H13(4 )肥粒鐵及麻田散鐵系不銹鋼SAE 400系(5 )奧斯田鐵系不銹鋼SAE 300系(6)析出硬化型不銹鋼174PH，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

16、層，但其硬化層亦很脆。相反的，含銘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(shí)，宜注意材料之特征，充分利 用其優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)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(shí)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

17、油。然后使用氧化鋁粉將表面作abrasive cleaning。第二種方法即將表面加以磷酸 皮膜處理(phosphate coating )。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(shí)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?dú)舛N。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O 將加熱爐之自動(dòng)溫度控制設(shè)定在150C并開始加熱(注意爐溫不能高于150 C)。 爐中之空氣排除至10%以下，或排出之氣體含

18、90%以上之NH3時(shí)，再將爐溫升高至滲氮溫度。3、氨白勺分解率 滲氮是鋪及其他合金元素與初生態(tài)的氮接觸而進(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(shí)鋼料本身成為觸媒而促進(jìn)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1530%的分解率，并按滲氮所需厚度至少保持410小時(shí)，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(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，將加熱電源尖閉，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(jī)。此時(shí)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(rèn)爐內(nèi)之正壓。等候?qū)霠t中的

19、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 150 C以下時(shí)，即使用前面所述之排除爐內(nèi)氣體法導(dǎo)入空氣或氮?dú)夂蠓娇蓡㈤_爐蓋。氣體氮化技術(shù):氣體氮化系于1923年由德國AF ry所發(fā)表，將工件置于爐內(nèi)，利NH3氣直接輸進(jìn)500550C的氮化爐內(nèi)，保持20100小時(shí)，使NH3氣分解為原子狀態(tài)的（N）氣與（H）氣而進(jìn)行滲氮處理，在使鋼的表面產(chǎn)生耐、耐腐蝕之化合物層為主要目的，其厚度約為0.020.02m/m性質(zhì)極硬Hv 10001200，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，NH

20、3氣在570 C時(shí)經(jīng)熱分解如下：NH3 一 NFe + 2/3 H2經(jīng)分解出來的N，隨而擴(kuò)散進(jìn)入鋼的表面形成。相的Fe23N氣體滲氮，一般缺點(diǎn)為硬化層薄而氮化處理時(shí)間長。氣體氮化因分解NH3進(jìn)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， M。等氮化元素，否則氮化幾無法進(jìn)行，一般使用有JIS、SACM1新JIS、SACM645及SKD61以強(qiáng)韌化處理又稱調(diào)質(zhì)因Al，Cr，Mo等皆為提高變態(tài)點(diǎn)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(shí)間加熱之間，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?yàn)闀r(shí)間長表面粗糙，硬而較脆不易研磨，

21、而且時(shí) 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。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，g相化合物硬脆在氮化處理上是不良于韌性的氮化物，液體軟氮化的方法是將被處理工 件，先除銹，脫脂，預(yù)熱后再置于氮化土甘埸內(nèi)，土甘垠內(nèi)是以TF - 1為主鹽劑，被加溫到560 600 C處理數(shù)分至數(shù)小時(shí)，依工件所受外力負(fù)荷大小，而決定氮化層深度，在處理中，必須在坨埸底部 通入一支空氣管以一定量之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89%wt的N及少量的C及擴(kuò)散層，氮原子擴(kuò)散入a - Fe基地中

22、使鋼件更具耐疲勞性，氮化期間由于CNO之分解消 耗，所以不斷要在68小時(shí)處理中化驗(yàn)鹽劑成份，以便調(diào)整空氣量或加入新的鹽劑。Hv 350650，不銹鋼液體軟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元素者硬度較高，而其含金量愈多而氮化深度愈淺，如炭素鋼Hv 1000 1200，氮化鋼 Hv800 1100。液體軟氮化適用于耐磨及耐疲勞等汽車零件，縫衣機(jī)、照相機(jī)等如氣缸套處理，氣門閥處理、活 塞筒處理及不易變形的模具處。采用液體軟氮化的國家，西歐各國、美國、蘇俄、日本。離子氮化技術(shù):此一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)(伽 10-2103 TorrHg)后導(dǎo)入N2氣體或N2 + H2之混合氣體，調(diào)整爐內(nèi)達(dá)上陽極，工110 Torr，將爐體接件接上陰極，兩極間通以數(shù)百伏之直流電壓，此時(shí)爐內(nèi)之光輝放電成正N2氣體則發(fā)生離子，向工作表面移動(dòng)，在瞬間陰極電壓急劇下降，使正離子以高速?zèng)_向陰極表面，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闅饽?，使得工件去面溫度得以上升，因氮離子的沖擊后將工件表面打出