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1，硬氮化：學名‘滲氮’，也有人稱為常規氮化。滲入鋼表面的是單一的‘氮’元素，在方法上有氣體法和離子法等。對于結構零件通常選用的鋼種為含鉻、鉬、鈦、鋁等合金元素的專用鋼，也有在其它鋼種上進行滲氮的，例如不銹鋼、模具鋼等。滲氮處理的溫度通常在480～540℃范圍（既要保持工件的心部的調質硬度又要使滲氮層的硬度達到要求值），處理的時間按照要求深度不同，一般為15～70小時，甚至更長。滲氮的著眼點是希望獲得較深厚度（0.1～0.65mm,也有要求更深一些的）具有高硬度的呈彌散狀的合金氮化物層（即擴散層），對于出現外表層的化合物層（白亮層）則希望盡可能的淺簿，甚至希望沒有。
! y! c3 }# I' |6 j: p X. Z. P 2，軟氮化：學名‘氮碳共滲’，早期把蘇聯（俄羅斯）的液體法翻譯為‘低溫氰化’。現在國內流行的有氣體法、無（低）毒液體法和離子法。滲入鋼表面的元素以‘氮’為主，同時添加了‘碳’。碳的加入使表面化合物層（白亮層）的形成和性能得到某些甚至是明顯的改善。這里要強調一下，和滲氮不同的地方是：氮碳共滲的著眼點是希望獲得一定厚度（一般為10～20μm，也有要求20μm以上的，目前實驗室里據稱在碳素鋼上曾經達到的厚度為110μm）硬度高、脆性小、沒有或很少疏松等性能優良的白亮層，至于次表面的擴散層，按照鋼種和使用要求不同雖然有時需要作某些調整，但處于次要地位了。氮碳共滲的適用廣泛，幾乎覆蓋所有常用鋼種和鑄鐵。以碳素鋼為例，按照氮碳共滲處理的溫度分為鐵索體氮碳共滲（520～590℃）和奧氏體氮碳共滲（600～720℃），處理的時間一般為2～6小時，前者獲得的白亮層為鐵氮化合物，后者快冷后在鐵氮化合物層的下面還有一層含氮奧氏體＋馬氏體層（5～12μm）。為了增強和改善白亮層的性能，我國的熱處理工作者還采用了在滲氮的同時又單獨或組合添加硼、氧、硫、稀土等元素，做了大量的工作，并且大都不同程度的取得看得出來的效果。這種探索，至今方興未艾，是熱處理工作者孜孜以求的熱點之一。
; k2 f+ p; z+ U9 S& Z! p 3，‘軟氮化’含義不是指獲得的硬度比所謂的‘硬氮化’的硬度低，而是含有簡便、省事、費用低的意思。; p' S$ K3 W8 o9 R! ?( K8 ]
氮化包括氣體氮化、輝光離子氮化和軟氮化，軟氮化是一種通俗的叫法，嚴格的講，軟氮化是一種以滲氮為主的低溫氮碳共滲，主要特點是滲速快（2-4h），但滲層薄（一般在0.4以下),滲層梯度陡，硬度并不低，如果是液體氮化，硬度甚至略高于氣體氮化。 氣體氮化可以做到深滲層，它的硬度梯度緩，比軟氮化承受的載荷高，外觀漂亮，缺點是周期長，表面有脆性相，一般要有一道精加工（加工余量很小，一般1絲到2絲）。 輝光離子氮化有氣體氮化的優點，在0.4㎜滲層以下，滲速比氣體氮化快的多，而且表面不會有脆性相，可以局部氮化，缺點是成本略高，對形狀復雜或帶長孔的工件效果不好。 變形方面應該是輝光離子氮化變形最小，實際中相差很小，很多時候幾乎一樣。 軟氮化實質上是以滲氮為主的低溫氮碳共滲，鋼的氮原子滲入的同時，還有少量的碳原子滲入，其處理結果與一般氣體氮化相比，滲層硬度較氮化低，脆性較小，故稱為軟氮化。 1、軟氮化方法分為：氣體軟氮化、液體軟氮化及固體軟氮化三大類。目前國內生產中應用最廣泛的是氣體軟氮化。氣體軟氮化是在含有活性氮、碳原子的氣氛中進行低溫氮、碳共滲，常用的共滲介質有尿素、甲酰胺、氨氣和三乙醇胺，它們在軟氮化溫度下發生熱分解反應，產生活性氮、碳原子。 活性氮、碳原子被工件表面吸收，通過擴散滲入工件表層，從而獲得以氮為主的氮碳共滲層。 氣體軟氮化溫度常用560-570℃，因該溫度下氮化層硬度值最高。氮化時間常為2-3小時，因為超過2.5小時，隨時間延長，氮化層深度增加很慢。 2、軟氮化層組織和軟氮化特點：鋼經軟氮化后，表面最外層可獲得幾微米至幾十微米的白亮層，它是由ε相、γ`相和含氮的滲碳體Fe3（C，N）所組成，次層為的擴散層，它主要是由γ`相和ε相組成。 軟氮化具有以下特點： (1)、處理溫度低，時間短，工件變形小。 (2)、不受鋼種限制，碳鋼、低合金鋼、工模具鋼、不銹鋼、鑄鐵及鐵基粉未冶金材料均可進行軟氮化處理。工件經軟氮化后的表面硬度與氮化工藝及材料有關。 3、能顯著地提高工件的疲勞強度、耐磨性和耐腐蝕性。在干摩擦條件下還具有抗擦傷和抗咬合等性能。 4、由于軟氮化層不存在脆性ξ相，故氮化層硬而具有一定的韌性，不容易剝落。 因此，目前生產中軟氮化巳廣泛應用于模具、量具、刀具（如：高速鋼刀具）等、曲軸、齒輪、氣缸套、機械結構件等耐磨工件的處理。 與滲氮區別主要是： 1.在一定溫度下向試件表面滲入氮、碳，以滲氮為主，但非單純滲氮。 2.處理時間比氮化短。 3.其表面白層相比滲氮白層而言脆性要小。 4.軟氮化應用的材料比較廣泛。 5軟氮化比普通氮化周期短，溫度略低，因此變形更小，但硬度和氮化層厚度略差，且氣體軟氮化無毒 氮化處理又稱為擴散滲氮。氣體滲氮在1923年左右，由德國人Fry首度研究發展并加以工業化。由於經本法處理的制品具有優異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫，其應用范圍逐漸擴大。例如鉆頭、螺絲攻、擠壓模、壓鑄模、鍜壓機用鍜造模、螺桿、連桿、曲軸、吸氣及排氣活門及齒輪凸輪等均有使用。 一、氮化用鋼簡介 傳統的合金鋼料中之鋁、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： （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％之鉻） SAE H11 （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 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，其表面亦有相當的耐磨性及耐束心性。因此選用材料時，宜注意材料之特徵，充分利用其優點，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。 二、氮化處理技術： 調質后的零件，在滲氮處理前須徹底清洗干凈，茲將包括清洗的滲氮工作程序分述如下： （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。但在滲氮前之最后加工方法若采用拋光、研磨、磨光等，即可能產生阻礙滲氮的表面層，致使滲氮后，氮化層不均勻或發生彎曲等缺陷。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abrassive 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℃以前須作爐內排除空氣工作。 排除爐內的主要功用是防止氨氣分解時與空氣接觸而發生爆炸性氣體，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。 排除爐內空氣的要領如下： （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）將加熱爐之自動溫度控制設定在150℃并開始加熱（注意爐溫不能高於150℃）。 （3）爐中之空氣排除至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。 （3）氨的分解率 滲氮是鋪及其他合金元素與初生態的氮接觸而進行，但初生態氮的產生，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。 （4）冷卻 大部份的工業用滲氮爐皆具有熱交換幾，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氣體法，導入空氣或氮氣后方可啟開爐蓋。 三、氣體氮化技術： 氣體氮化系於1923年由德國AF ry 所發表，將工件置於爐內，利NH3氣直接輸進500～550℃的氮化爐內，保持20～100小時，使NH3氣分解為原子狀態的（N）氣與（H）氣而進行滲氮處理，在使鋼的表面產生耐磨、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℃時經熱分解如下： NH3 →〔N〕Fe + 2/3 H2 經分解出來的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於氮化之鋼種，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質因Al，Cr，Mo等皆為提高變態點溫度之元素，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，發生回火脆性，故預先施以調質強韌化處理。NH3氣體氮化，因為時間長表面粗糙，硬而較脆不易研磨，而且時間長不經濟，用於塑膠射出形機的送料管及螺旋桿的氮化。 四、液體氮化技術： 液體軟氮化主要不同是在氮化層里之有Fe3Nε相，Fe4Nr相存在而不含Fe2Nξ相氮化物，ξ相化合物硬脆在氮化處理上是不良於韌性的氮化物，液體軟氮化的方法是將被處理工件，先除銹，脫脂，預熱后再置於氮化坩堝內，坩堝內是以TF – 1為主鹽劑，被加溫到560～600℃處理數分至數小時，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，氮化期間由於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。 液體軟氮化適用於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、臺灣。 五、離子氮化技術： 此一方法為將一工件放置於氮化爐內，預先將爐內抽成真空達10-2～10-3 Torr（㎜Hg）后導入N2氣體或N2 + H2之混合氣體，調整爐內達1～10 Torr，將爐體接上陽極，工件接上陰極，兩極間通以數百伏之直流電壓，此時爐內之N2氣體則發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，將動能轉變為氣能，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，但一般統稱離子氮化處理，工件表面氮氣濃度可改變爐內充填的混合氣體（N2 + H2）的分壓比調節得之，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10μn以內，此化合物層強韌而非多孔質層，不易脫落，由於氮化鐵不斷的被工件吸附并擴散至內部，由表面至內部的組織即為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，由於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，由於考慮到材質及其相關機械性質的選用處理時間可由數分鐘以致於長時間的處理，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秀的表面硬化處。 ============================================================================ 軟氮化實質上是以滲氮為主的低溫碳氮共滲，鋼的氮原子滲及的同時，還有少量的碳原子滲入，其處理結果與前述一般氣體氮相比，滲層硬度較低，脆性較小，故稱為軟氮化。 1.軟氮化方法，軟氮化方法分為氣體軟氮化和液體軟氮化兩大類。目前國內生產中應用最廣泛的是氣體軟氮化。<,br>氣體軟氮化是在含有活性碳、氮原子的氣氛中進行低溫碳、氮共滲，常用的共滲介質有尿素、甲酰胺和三乙醇胺，它們在軟氮化溫度下發生熱分解反應，產生活性碳、氮原子。 活性碳、氮原子被工件表面吸收，通過擴散滲入工件表層，從而獲得以氮為主的碳氮共滲層。 氣體軟氮化溫度常用560-570℃，因該溫度下氮化層硬度值最高。氮化時間常為2-3小時，因為超過2.5小時，隨時間延長，氮化層深度增加很慢。 2.軟氮化層組織和軟氮化特點：鋼經軟氮化后，表面最外層可獲得幾微米至幾十微米的白層，它是由ε相、γ`相和含氮的滲碳體Fe3（C，N）所組成，次層為0。3-0。4毫米的擴散層，它主要是由γ`相和ε相組成。 軟氮化具有以下特點： (1)處理溫度低，時間短，工件變形小。 (2)不受鋼種限制，碳鋼、低合金鋼、工模具鋼、不銹鋼、鑄鐵及鐵基粉未冶金材料均可進行軟氮化處理。工件經軟氮化后的表面硬度與氮化工藝及材料有關。 3.能顯著地提高工件的疲勞極限、耐磨性和耐腐蝕性。在干摩擦條件下還具有抗擦傷和抗咬合等性能。 4.由于軟氮化層不存在脆性ξ相，故氮化層硬而具有一定的韌性，不容易剝落。 因此，目前生產中軟氮化巳廣泛應用于模具、量具、高速鋼刀具、曲軸、齒輪、氣缸套等耐磨工件的處理。 應注意的是，氣體軟氮化目前存在問題是表層中鐵氮化合物層厚度較薄（0.01-0.02mm），且氮化層硬度梯度較陡，故不宜在重載條件下工作。另外，在氮化過程中，爐中會產生HCN這種有毒氣體，因此生產中要注意設備的密封，以免爐氣漏出污染環境。
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發表于 2014-8-20 20:07:20
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