熱處理工藝之氮化處理
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。
》》 氮化處理簡介
傳統(tǒng)的合金鋼料中之鋁、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%鋁的滲氮結果最佳。在含鉻的鉻鋼而言，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（標準滲氮鋼）
?。?）含鉻元素的中碳低合金鋼 SAE 4100，4300，5100，6100，8600，8700，9800系。
（3）熱作模具鋼（含約5%之鉻） SAE H11 （SKD – 61）H12，H13
?。?）鐵素體及馬氏體系不銹鋼 SAE 400系
?。?）奧氏體系不銹鋼 SAE 300系
（6）析出硬化型不銹鋼 17 - 4PH，17 – 7PH，A – 286等
含鋁的標準滲氮鋼，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，含鉻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?shù)哪湍バ约澳褪?。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。
》》作用
增加鋼件的耐磨性、表面硬度、疲勞極限和抗蝕能力。
》》技術流程
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噴砂處理（abrasive cleaning） 。第二種方法即將表面加以磷酸皮膜處理（phosphate coating）。
》》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℃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)空氣的要領如下：
?、俦惶幚砹慵b妥后將爐蓋封好，開始通無水氨氣，其流量盡量可能多。
?、趯⒓訜釥t之自動溫度控制設定在150℃并開始加熱（注意爐溫不能高于150℃）。
?、蹱t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。
》》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520℃左右。
》》冷卻
大部分的工業(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，將加熱電源關閉，使爐溫降低約50℃，然后將氨的流量增加一倍后開始啟開熱交換機。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。等候導入爐中的氨氣安定后，即可減少氨的流量至保持爐中正壓為止。當爐溫下降至150℃以下時，即使用前面所述之排除爐內(nèi)氣體法，導入空氣或氮氣后方可啟開爐蓋。
》》氣體氮化
氣體氮化于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500——550℃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Hv 1000——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570℃時經(jīng)熱分解如下：
NH3 →〔N〕Fe + 3/2 H2
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。
》》液體氮化
液體軟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，液體軟氮化的方法是將被處理工件，先除銹，脫脂，預熱后再置于氮化坩堝內(nèi)，坩堝內(nèi)是以TF – 1為主鹽劑，被加溫到560——600℃處理數(shù)分至數(shù)小時，依工件所受外力負荷大小，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之空氣氮化鹽劑分解為CN或CNO，滲透擴散至工作表面，使工件表面最外層化合物8——9%wt的N及少量的C及擴散層，氮原子擴散入α – Fe基地中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 350——650，不銹鋼Hv 1000——1200，氮化鋼Hv 800——1100。
液體軟氮化適用于耐磨及耐疲勞等汽車零件，縫衣機、照相機等如氣缸套處理，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
此一方法為將一工件放置于氮化爐內(nèi)，預先將爐內(nèi)抽成真空達10-2——10-3 Torr（㎜Hg）后導入N2氣體或N2 + H2之混合氣體，調(diào)整爐內(nèi)達1——10 Torr，將爐體接上陽極，工件接上陰極，兩極間通以數(shù)百伏之直流電壓，此時爐內(nèi)之N2氣體則發(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軟氮化處理，但一般統(tǒng)稱離子氮化處理，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)得之，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ξ（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相之化合物層與擴散層，由于擴散層的增加對疲勞強度的增加有很多助。而蝕性以ε相最佳。
離子氮化處理的度可從350℃開始，由于考慮到材質(zhì)及其相關機械性質(zhì)的選用處理時間可由數(shù)分鐘以致于長時間的處理，本法與過去利用熱分解方化學反應而氮化的處理法不同，本法系利用高離子能之故，過去認為難處理的不銹鋼、鈦、鈷等材料也能簡單的施以優(yōu)秀的表面硬化處理。
》》相關標準
GB/T11354-2005 鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗
GB/T18177-2008 鋼件的氣體滲氮
HB/Z79-1995 航空結構鋼及不銹鋼滲氮工藝說明書
JB/T6956-2007 鋼鐵件的離子滲氮
JB/T8491.5-2008 機床零件熱處理技術條件5滲氮、氮碳共滲
JB/T9172-1999 齒輪滲氮、氮碳共滲工藝及質(zhì)量控制
JB/T9173-1999 齒輪碳氮共滲工藝及質(zhì)量控制
QJ2539.3-1993 化學熱處理 鋼的氣體滲氮
CB3385-1991 鋼鐵零件滲氮層深度測定方法
更多材料及技術問題請咨詢 張經(jīng)理：13952444299 (微信同號)
