什么是氮化處理？

2023/05/18

 氮化處理是指一種在一定溫度下，在一定介質(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。

淡化處理簡介

 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（標準滲氮鋼）。

    （2）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%的鉻） SAE H11 （SKD-61）H12，H13。

   （4）鐵素體及馬氏體系不銹鋼SAE 400系。

    （5）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。

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（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，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擴散進入鋼的表面形成，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，否則氮化無法進行，一般使用有JIS、SACM1、新JIS、SACM645及SKD61的強韌化處理，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。