渗氮及氮化处理.docx

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渗氮及氮化处理

渗氮

渗氮，是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。

常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。

传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。

如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。

常用的是气体渗氮和离子渗氮。

原理应用

　　渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。

这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性。

与渗碳工艺相比，渗氮温度比较低，因而畸变小，但由于心部硬度较低，渗层也较浅，一般只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有一定耐热、耐腐蚀要求的机器零件，以及各种切削刀具、冷作和热作模具等。

渗氮有多种方法，常用的是气体渗氮和离子渗氮。

钢铁渗氮的研究始于20世纪初，20年代以后获得工业应用。

最初的气体渗氮，仅限于含铬、铝的钢，后来才扩大到其他钢种。

从70年代开始，渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善，适用的材料和工件也日益扩大，成为重要的化学热处理工艺之一。

气体渗氮

　　一般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的表面硬度。

它适用于38CrMoAl等渗氮钢。

渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。

渗氮温度低，工件畸变小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。

但由于渗氮层较薄，不适于承受重载的耐磨零件。

　　气体参氮可采用一般渗氮法（即等温渗氮）或多段（二段、三段）渗氮法。

前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。

温度一般在480～520℃之间,氨气分解率为15～30%,保温时间近80小时。

这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长。

多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同温度、不同氨分解率、不同时间进行渗氮和扩散。

整个渗氮时间可以缩短到近50小时，能获得较深的渗层，但这样渗氮温度较高，畸变较大。

　　还有以抗蚀为目的的气体渗氮，渗氮温度在550～700℃之间,保温0.5～3小时，氨分解率为35～70%，工件表层可获得化学稳定性高的化合物层，防止工件受湿空气、过热蒸汽、气体燃烧产物等的腐蚀。

　　正常的气体渗氮工件，表面呈银灰色。

有时，由于氧化也可能呈蓝色或黄色，但一般不影响使用。

离子渗氮

又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。

把金属工件作为阴极放入通有含氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮氢原子被电离，在阴阳极之间形成等离子区。

在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击。

离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度。

由于离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件表面。

与一般的气体渗氮相比，离子渗氮的特点是：

①可适当缩短渗氮周期；②渗氮层脆性小；③可节约能源和氨的消耗量；④对不需要渗氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮；⑤离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮。

⑥渗层厚度和组织可以控制。

离子渗氮发展迅速，已用于机床丝杆、齿轮、模具等

工件。

氮碳共渗

　　低温氮碳共渗又称软氮化,即在铁-氮共析转变温度以下，使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳。

碳渗入后形成的微细碳化物能促进氮的扩散，加快高氮化合物的形成。

这些高氮化合物反过来又能提高碳的溶解度。

碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。

此外，碳在氮化物中还能降低脆性。

氮碳共渗后得到的化合物层韧性好，硬度高，耐磨，耐蚀，抗咬合。

　　常用的氮碳共渗方法有液体法和气体法。

处理温度530～570℃，保温时间1～3小时。

早期的液体盐浴用氰盐，以后又出现多种盐浴配方。

常用的有两种：

中性盐通氨气和以尿素加碳酸盐为主的盐，但这些反应产物仍有毒。

气体介质主要有：

吸热式或放热式气体（见可控气氛）加氨气；尿素热分解气；滴注含碳、氮的有机溶剂，如甲酰胺、三乙醇胺等。

　　氰化cyaniding，指高温碳氮共渗（早期的碳氮共渗是在有毒的氰盐浴中进行）。

由于温度比较高，碳原子扩散能力很强，所以以渗碳为主,形成含氮的高碳奥氏体，淬火后得到含氮高碳马氏体。

由于氮的渗入促进碳的渗入,使共渗速度较快，保温4～6h可得到0.5～0.8mm的渗层，同时由于氮的渗入，提高了过冷奥氏体的稳定性，加上共渗温度比较低，奥氏体晶粒不会粗大，所以钢件碳氮共渗后可直接淬油，渗层组织为细针状的含氮马氏体加碳氮化合物和少量残余奥氏体。

碳氮共渗层比渗碳层有更高的硬度、耐磨性、抗蚀性、弯曲强度和接触疲劳强度。

但一般碳氮共渗层比渗碳层浅，所以一般用于承受载荷较轻，要求高耐磨性的零件。

　　氮碳共渗不仅能提高工件的疲劳寿命、耐磨性、抗腐蚀和抗咬合能力，而且使用设备简单，投资少，易操作，时间短和工件畸变小，有时还能给工件以美观的外表。

辉光离子氮化

　　一、优点：

渗氮时间短，质量容易控制，氮化层耐疲劳、有高强度，由于氮化温度在520-540，所以工件变形小，表面抗磁性高。

　　二、缺点：

设备控制复杂，炉温均匀性不好。

　　渗氮脆性检验

级别

渗氮层脆性级别说明

压痕边角完整无缺

压痕一边或一角碎裂

压痕二边或二角碎裂

压痕三边或三角碎裂

压痕四边或四角碎裂

　　b、渗氮层脆性检验一般采用维氏硬度计，试验力10公斤，试验力的加载必须缓慢（在5-9S内完成），试验力加载完成后必须停留5-10S，然后卸载试验力，特殊情况也可采用5KG或者30KG试验力。

　　c、维氏硬度压痕在显微放大100倍下进行检查，每件至少测3点，其中两点以上处于相同级别时，才能定级。

否则需重新检验。

　　d、渗氮层脆性应在零件工作部位或随炉试样的表面上检测，一般零件为1-3级为合格，重要零件1-2级为合格，对于渗氮后留有磨痕的零件，也可在磨去加工余量后的表面上进行测定

e、经气体渗氮后的零件，必须进行检验。

渗氮前的处理

　　在渗氮零件的整个制造过程中，渗氮往往是最后一道工序，至多再进行精磨或研磨。

渗氮零件的工艺流程一般为：

锻造→正火（退火）→粗加工→调质→精加工→去应力→精磨→渗氮→精磨→装配。

　　氮化前的预热处理包括正火（退火）、调质处理、去应力。

　　a．正火（退火），其目的是细化晶粒、降低硬度、消除锻造应力。

　　b．调质处理，可以改善钢的加工性能，获得均匀的回火索氏体组织，以保证零件心部有足够的强度和韧性，同时又能使渗氮层和基本结合牢固。

　　c．去应力处理，对于形状复杂的精密零件，在渗氮前应进行1~2次去应力，以减少渗氮过程中的变形。

渗氮前的生产准备

　　a．去污处理。

零件装炉前要用汽油或酒精进行脱脂、去污处理，零件表面不允许有锈蚀及脏污。

　　b．防渗处理。

对零件非渗氮部分，可用电镀或涂料法进行防渗氮处理。

　　c．渗氮件的表面质量应良好，不允许有脱碳层存在，因此，零件在预先热处理前应留有足够的加工余量，以便在渗氮前的机加工能将脱碳层全部去除，以保证渗氮层的质量。

　　d．装炉前检查设备和渗氮夹具、电系统、管道、氨分解测定仪等应保证正常使用；渗氮夹具不允许有赃物或氧化皮，如有应清除。

　　e．随炉试样。

随炉的试样应与渗氮零件通材料并经过同样的预先处理。

　　③渗氮工艺常用的气体渗氮工艺有等温渗氮、二段式渗氮和三

段式渗氮三种方法。

　　a．等温渗氮也称一段式渗氮法。

它是在恒温下进行长时间保温的渗氮工艺，渗氮温度510~530℃，其渗氮工艺曲线如图2-42所示。

　　第一阶段保温15~20h，为吸氮阶段。

这一阶段采用较低的氨分解率（18%25%）。

零件表面因洗后大量氮原子而与零件心部形成氮浓度差。

第二阶段为扩散阶段。

在这个阶段为家少活性氮原子的数量而将氨分解率提高到30%~40%，保温时间在60h左右。

　　为减少渗氮层的脆性，在渗氮结束前2~4h进行退氮处理，氨分解率提高到70%以上，退氮温度提高到560~570℃。

等温渗氮工艺过程简单，渗氮温度较低、渗层浅、零件变形小、表面硬度高，但渗氮速度慢，产生周期长，适用于渗氮深度浅，尺寸精度和硬度要求高的零件。

　　b．两段式渗氮两段式渗氮工艺曲线如图2-43所示。

第一阶段的工艺参数（除保温时间外）与等温渗氮相同。

第二阶段把渗氮温度提高到550~560℃，以加速氮原子的扩散，缩短渗氮周期，氨分解率提高到40%~60%。

根据对渗氮层的脆性要求，急速前也应提前2h提高氨分解率和温度进行退氮处理。

　　两段式渗氮的时间比等温渗氮短，表面硬度稍微低，变形略有增大，适用于渗氮层较深批量较大的零件。

　　c．三段式渗氮三段式渗氮工艺曲线如图2-44所示。

它是在二段式渗氮基础上发展起来的。

这种工艺是将第二阶段的温度适当提高，以加快渗氮过程，同时增加较低温度的第三阶段，以弥补因第二阶段氮的扩散快而使表面氮浓度过低，保证表面含氮量以提高表面硬度。

　　三段式渗氮能进一步提高渗氮速度，但硬度比一般渗氮工艺低，脆性、变形等比一般渗氮工艺略大。

氮化处理

经氮化处理后的工件

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。

展开

　　本文源自宁波奇威金属科技材料运用研究所，刘先生13123822600氮化引；常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。

氮化处理又称为扩散渗氮。

气体渗氮在1923年左右，由德国人Fry首度研究发展并加以工业化。

由于经本法处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温，其应用范围逐渐扩大。

例如钻头、螺丝攻、挤压模、压铸模、鍜压机用鍜造模、螺杆、连杆、曲轴、吸气及排气活门及齿轮凸轮等均有使用。

氮化用钢简介

　　传统的合金钢料中之铝、铬、钒及钼元素对渗氮甚有帮助。

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，不仅作为生成氮化物元素，亦作为降低在渗氮温度时所发生的脆性。

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帮助。

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，亦可得到很好的效果。

但没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适合作为渗氮钢。

　　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SAE4100，4300，5100，6100，8600，8700，9800系。

　　（3）热作模具钢（含约5%之铬）SAEH11（SKD–61）H12，H13

　　（4）肥粒铁及麻田散铁系不锈钢SAE400系

　　（5）奥斯田铁系不锈钢SAE300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，在氮化后虽可得到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，其表面亦有相当的耐磨性及耐束心性。

因此选用材料时，宜注意材料之特征，充分利用其优点，俾符合零件之功能。

至于工具钢如H11（SKD61）D2（SKD–11），即有高表面硬度及高心部强度。

氮化处理技术流程：

1、渗氮前的零件表面清洗

　　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方法若采用抛光、研磨、磨光等，即可能产生阻碍渗氮的表面层，致使渗氮后，氮化层不均匀或发生弯曲等缺陷。

此时宜采用下列二种方法之一去除表面层。

第一种方法在渗氮前首先以气体去油。

然后使用氧化铝粉将表面作abrasivecleaning。

第二种方法即将表面加以磷酸皮膜处理（phosphatecoating）。

2、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工作。

　　排除炉内的主要功用是防止氨气分解时与空气接触而发生爆炸性气体，及防止被处理物及支架的表面氧化。

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（注意炉温不能高于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。

3、氨的分解率

　　渗氮是铺及其他合金元素与初生态的氮接触而进行，但初生态氮的产生，即因氨气与加热中的钢料接触时钢料本身成为触媒而促进氨之分解。

　　虽然在各种分解率的氨气下，皆可渗氮，但一般皆采用15～30%的分解率，并按渗氮所需厚度至少保持4～10小时，处理温度即保持在520℃左右。

4、冷却

　　大部份的工业用渗氮炉皆具有热交换机，以期在渗氮工作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。

此时须注意观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。

等候导入炉中的氨气安定后，即可减少氨的流量至保持炉中正压为止。

当炉温下降至150℃以下时，即使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。

气体氮化技术：

　　气体氮化系于1923年由德国AFry所发表，将工件置于炉内，利NH3气直接输进500～550℃的氮化炉内，保持20～100小时，使NH3气分解为原子状态的（N）气与（H）气而进行渗氮处理，在使钢的表面产生耐磨、耐腐蚀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Hv1000～1200，又极脆，NH3之分解率视流量的大小与温度的高低而有所改变，流量愈大则分解度愈低，流量愈小则分解率愈高，温度愈高分解率愈高，温度愈低分解率亦愈低，NH3气在570℃时经热分解如下：

　　NH3→〔N〕Fe+2/3H2

　　经分解出来的N，随而扩散进入钢的表面形成。

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。

　　气体氮化因分解NH3进行渗氮效率低，故一般均固定选用适用于氮化之钢种，如含有Al，Cr，Mo等氮化元素，否则氮化几无法进行，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等皆为提高变态点温度之元素，故淬火温度高，回火温度亦较普通之构造用合金钢高，此乃在氮化温度长时间加热之间，发生回火脆性，故预先施以调质强韧化处理。

NH3气体氮化，因为时间长表面粗糙，硬而较脆不易研磨，而且时间长不经济，用于塑胶射出形机的送料管及螺旋杆的氮化。

五、液体氮化技术：

　　液体软氮化主要不同是在氮化层里之有Fe3Nε相，Fe4Nr相存在而不含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，液体软氮化的方法是将被处理工件，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大小，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分解为CN或CNO，渗透扩散至工作表面，使工件表面最外层化合物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之分解消耗，所以不断要在6～8小时处理中化验盐剂成份，以便调整空气量或加入新的盐剂。

　　液体软氮化处理用的材料为铁金属，氮化后的表面硬度以含有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Hv350～650，不锈钢Hv1000～1200，氮化钢Hv800～1100。

　　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。

采用液体软氮化的国家，西欧各国、美国、苏俄、日本。

离子氮化技术：

　　此一方法为将一工件放置于氮化炉内，预先将炉内抽成真空达10-2～10-3Torr（㎜Hg）后导入N2气体或N2+H2之混合气体，调整炉内达1～10Torr，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气体则发生光辉放电成正离子，向工作表面移动，在瞬间阴极电压急剧下降，使正离子以高速冲向阴极表面，将动能转变为气能，使得工件去面温度得以上升，因氮离子的冲击后将工件表面打出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产生氮化作用，离子氮化在基本上是采用氮气，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，工件表面氮气浓度可改变炉内充填的混合气体（N2+H2）的分压比调节得之，纯离子氮化时，在工作表面得单相的r′（Fe4N）组织含N量在5.7～6.1%wt，厚层在10μn以内，此化合物层强韧而非多孔质层，不易脱落，由于氮化铁不断的被工件吸附并扩散至内部，由表面至内部的组织即为FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N顺序变化，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变成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很多助。

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，本法与过去利用热分解方化学反应而氮化的处理法不同，本法系利用高离子能之故，过去认为难处理的不锈钢、钛、钴等材料也能简单的施以优秀的表面硬化处