什么是氮化处理

氮化处理是指一种在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。经氮化处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温的特性。

氮化处理简介

古板的合金钢料中之铝、铬、钒及钼元素对渗氮甚有资助。这些元素在渗氮温度中，与初生态的氮原子接触时，就生成安定的氮化物。尤其是钼元素，不但作为生成氮化物元素，亦作为降低在渗氮温度时所爆发的脆性。其他合金钢中的元素，如镍、铜、硅、锰等，对渗氮特性并无多大的资助。一般而言，如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素，氮化后的效果比较良好。其中铝是最强的氮化物元素，含有0.85～1.5%铝的渗氮结果最佳。在含铬的铬钢而言，如果有足够的含量，亦可获得很好的效果。但没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适相助为渗氮钢。

一般常用的渗氮钢有六种如下：

(1)含铝元素的低合金钢(标准渗氮钢)

(2)含铬元素的中碳低合金钢 SAE 4100，4300，5100，6100，8600，8700，9800系。

(3)热作模具钢(含约5%之铬) SAE H11 (SKD – 61)H12，H13

(4)铁素体及马氏体系不锈钢 SAE 400系

(5)奥氏体系不锈钢 SAE 300系

(6)析出硬化型不锈钢 17 - 4PH，17 – 7PH，A – 286等

含铝的标准渗氮钢，在氮化后虽可获得很高的硬度及高耐磨的表层，但其硬化层亦很脆。相反的，含铬的低合金钢硬度较低，但硬化层即比较有韧性，其外貌亦有相当的耐磨性及耐束性。因此选用质料时，宜注意质料之特征，充分利用其优点，俾切合零件之功效。至于工具钢如H11(SKD61)D2(SKD – 11)，即有高外貌硬度及高心部强度

作用

增加钢件的耐磨性、外貌硬度、疲劳极限和抗蚀能力。

技术流程

渗氮前的零件外貌清洗

大部分零件，可以使用气体去油法去油后立刻渗氮。部分零件也需要用汽油清洗比较好，但在渗氮前之最后加工要领若接纳抛光、研磨、磨光等，即可能爆发阻碍渗氮的外貌层，致使渗氮后，氮化层不均匀或爆发弯曲等缺陷。此时宜接纳下列二种要领之一去除外貌层。第一种要领在渗氮前首先以气体去油。然后使用氧化铝粉将外貌作喷砂处理(abrasive cleaning) 。第二种要领即将外貌加以磷酸皮膜处理(phosphate coating)。

渗氮炉的排除空气

将被处理零件置于渗氮炉中，并将炉盖密封后即可加热，但加热至150℃以前须作炉内排除空气事情。

排除炉内的主要功用是避免氨气剖析时与空气接触而爆发爆炸性气体，及避免被处理物及支架的外貌氧化。其所使用的气体即有氨气及氮气二种。

排除炉内空气的要领如下：

①被处理零件装妥后将炉盖封好，开始通无水氨气，其流量尽量可能多。

②将加热炉之自动温度控制设定在150℃并开始加热(注意炉温不可高于150℃)。

③炉中之空气排除至10%以下，或排出之气体含90%以上之NH3时，再将炉温升高至渗氮温度。

氨的剖析率

渗氮是及其他合金元素与初生态的氮接触而进行，但初生态氮的爆发，即因氨气与加热中的钢料接触时钢料自己成为触媒而增进氨之剖析。

虽然在种种剖析率的氨气下，皆可渗氮，但一般皆接纳15～30%的剖析率，并按渗氮所需厚度至少坚持4～10小时，处理温度即坚持在520℃左右。

冷却

大部分的工业用渗氮炉皆具有热交换机，以期在渗氮事情完成后加以急速冷却加热炉及被处理零件。即渗氮完成后，将加热电源关闭，使炉温降低约50℃，然后将氨的流量增加一倍后开始启开热交换机。此时须注意视察接在排气管上玻璃瓶中，是否有气泡溢出，以确认炉内之正压。期待导入炉中的氨气安定后，即可减少氨的流量至坚持炉中正压为止。当炉温下降至150℃以下时，纵然用前面所述之排除炉内气体法，导入空气或氮气后方可启开炉盖。

气体氮化于1923年由德国AF ry 所宣布，将工件置于炉内，利NH3气直接输进500～550℃的氮化炉内，坚持20～100小时，使NH3气剖析为原子状态的(N)气与(H)气而进行渗氮处理，在使钢的外貌爆发耐磨、耐腐化之化合物层为主要目的，其厚度约为0.02～0.02m/m，其性质极硬Hv 1000～1200，又极脆，NH3之剖析率视流量的巨细与温度的崎岖而有所改变，流量愈大则剖析度愈低，流量愈小则剖析率愈高，温度愈高剖析率愈高，温度愈低剖析率亦愈低，NH3气在570℃时经热剖析如下：

NH3 →〔N〕Fe + 3/2 H2

经剖析出来的N，随而扩散进入钢的外貌形成。相的Fe2 - 3N气体渗氮，一般缺点为硬化层薄而氮化处理时间长。

气体氮化因剖析NH3进行渗氮效率低，故一般均牢固选用适用于氮化之钢种，如含有Al，Cr，Mo等氮化元素，不然氮化几无法进行，一般使用有JIS、SACM1新JIS、SACM645及SKD61以强韧化处理又称调质因Al，Cr，Mo等皆为提高失常点温度之元素，故淬火温度高，回火温度亦较普通之结构用合金钢高，此乃在氮化温度长时间加热之间，爆发回火脆性，故预先施以调质强韧化处理。NH3气体氮化，因为时间长外貌粗糙，硬而较脆不易研磨，并且时间长不经济，用于塑胶射出形机的送料管及螺旋杆的氮化。

液体氮化

液体软氮化主要差别是在氮化层里有Fe3Nε相，Fe4Nr相保存而不含Fe2Nξ相氮化物，ξ相化合物硬脆在氮化处理上是不良于韧性的氮化物，液体软氮化的要领是将被处理工件，先除锈，脱脂，预热后再置于氮化坩埚内，坩埚内是以TF – 1为主盐剂，被加温到560～600℃处理数分至数小时，依工件所受外力负荷巨细，而决定氮化层深度，在处理中，必须在坩埚底部通入一支空气管以一定量之空气氮化盐剂剖析为CN或CNO，渗透扩散至事情外貌，使工件外貌最外层化合物8～9%wt的N及少量的C及扩散层，氮原子扩散入α – Fe基地中使钢件更具耐疲劳性，氮化期间由于CNO之剖析消耗，所以不绝要在6～8小时处理中化验盐剂成份，以便调解空气量或加入新的盐剂。

液体软氮化处理用的质料为铁金属，氮化后的外貌硬度以含有 Al，Cr，Mo，Ti元素者硬度较高，而其含金量愈多而氮化深度愈浅，如炭素钢Hv 350～650，不锈钢Hv 1000～1200，氮化钢Hv 800～1100。

液体软氮化适用于耐磨及耐疲劳等汽车零件，缝衣机、照相机等如气缸套处理，气门阀处理、活塞筒处理及不易变形的模具处。接纳液体软氮化的国家，西欧各国、美国、苏俄、日本。

离子氮化

此一要领为将一工件安排于氮化炉内，预先将炉内抽成真空达10-2～10-3 Torr(㎜Hg)后导入N2气体或N2 + H2之混淆气体，调解炉内达1～10 Torr，将炉体接上阳极，工件接上阴极，两极间通以数百伏之直流电压，此时炉内之N2气体则爆发辉煌放电成正离子，向事情外貌移动，在瞬间阴极电压急剧下降，使正离子以高速冲向阴极外貌，将动能转变为气能，使得工件外貌温度得以上升，因氮离子的攻击后将工件外貌打出Fe.C.O.等元素飞溅出来与氮离子结合成FeN，由此氮化铁逐渐被吸附在工件上而爆发氮化作用，离子氮化在基本上是接纳氮气，但若添加碳化氢系气体则可作离子软氮化处理，但一般统称离子氮化处理，工件外貌氮气浓度可改变炉内充填的混淆气体(N2 + H2)的分压比调理得之，纯离子氮化时，在事情外貌得单相的r′(Fe4N)组织含N量在5.7～6.1%wt，厚层在10μm以内，此化合物层强韧而非多孔质层，不易脱落，由于氮化铁不绝的被工件吸附并扩散至内部，由外貌至内部的组织即为FeN → Fe2N → Fe3N→ Fe4N顺序变革，单相ε(Fe3N)含N量在5.7～11.0%wt，单相ξ(Fe2N)含N量在11.0～11.35%wt，离子氮化首先生成r相再添加碳化氢气系时使其酿成ε相之化合物层与扩散层，由于扩散层的增加对疲劳强度的增加有许多助。而蚀性以ε相最佳。

离子氮化处理的度可从350℃开始，由于考虑到材质及其相关机械性质的选用处理时间可由数分钟以致于长时间的处理，本法与已往利用热剖析方化学反应而氮化的处理法差别，本法系利用高离子能之故，已往认为难处理的不锈钢、钛、钴等质料也能简单的施以优秀的外貌硬化处理。

来源：爱液压

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