氮化钢的介绍.docx

一、 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 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) 肥粒铁及麻田散铁系不锈钢 SAE 400系(5) 奥斯田铁系不锈钢 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，宜注意材料之特徵，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二、 氮化处理技术：调质后的零件，在渗氮处理前须彻底清洗干净,兹将包括清洗的渗氮工作程序分述如下：(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abrassive cleaning第二种方法即将表面加以磷酸皮膜处理(phosphate coating)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°C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150C并开始加热(注意炉温不能高於150C)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520C左右4) 冷却 大部份的工业用渗氮炉皆具有热交换几，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°C,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150C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三、 气体氮化技术：气体氮化系於1923年由德国AF ry所发表，将工件置於炉内，利NH3气直接输进500〜 550C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Hv 1000〜1200，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570C时经热分解如下：NH3 —〔N〕Fe + 2/3 H2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於氮化之钢种，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，用於塑胶射出形机的送料管及螺旋杆的氮化四、 液体氮化技术：液体软氮化主要不同是在氮化层里之有Fe3N£ 相, Fe4Nr相存在而不含Fe2Ng相氮化 物，g相化合物硬脆在氮化处理上是不良於韧性的氮化物，液体软氮化的方法是将被处理工 件，先除锈，脱脂，预热后再置於氮化坩埚内，坩埚内是以TF - 1为主盐剂，被加温到560〜 600C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a - Fe 基地中使钢件更具耐疲劳性，氮化期间由於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Hv 350〜650,不锈钢Hv 1000〜1200, 氮化钢Hv 800〜1100液体软氮化适用於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、台湾五、 离子氮化技术：此一方法为将一工件放置於氮化炉内，预先将炉内抽成真空达10-2〜10-3 Torr (mm Hg) 后导入N2气体或N2 + H2之混合气体，调整炉内达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10凹以内，此化 合物层强韧而非多孔质层，不易脱落，由於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£ (Fe3N)含N量在5.7〜 11.0%wt，单相g (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£相之化合物层与扩散层，由於扩散层的增加对疲劳强度的增加有很多助。

而蚀性以£相最佳离子氮化处理的度可从350°C开始，由於考虑到材质及其相关机械性质的选用处理时间 可由数分钟以致於长时间的处理，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、钻等材料也能简单的施以优秀的 表面硬化处软氮化实质上是以渗氮为主的低温碳氮共渗，钢的氮原子渗及的同时，还有少量的碳原 子渗入，其处理结果与前述一般气体氮相比，渗层硬度较低，脆性较小，故称为软氮化1•软氮化方法，软氮化方法分为气体软氮化和液体软氮化两大类目前国内生产中应用最广 泛的是气体软氮化v,br＞气体软氮化是在含有活性碳、氮原子的气氛中进行低温碳、氮共 渗，常用的共渗介质有尿素、甲酰胺和三乙醇胺，它们在软氮化温度下发生热分解反应，产 生活性碳、氮原子活性碳、氮原子被工件表面吸收，通过扩散渗入工件表层，从而获得以氮为主的碳氮共渗层气体软氮化温度常用560-570C，因该温度下氮化层硬度值最高氮化时间常为2-3小时， 因为超过2.5小时，随时间延长，氮化层深度增加很慢2•软氮化层组织和软氮化特点：钢经软氮化后，表面最外层可获得几微米至几十微米的白层， 它是由£相、Y'相和含氮的渗碳体Fe3 (C，N)所组成，次层为0。

3-04毫米的扩散层， 它主要是由Y'相和£相组成软氮化具有以下特点：(1) 处理温度低，时间短，工件变形小2) 不受钢种限制，碳钢、低合金钢、工模具钢、不锈钢、铸铁及铁基粉未冶金材料均可进 行软氮化处理工件经软氮化后的表面硬度与氮化工艺及材料有关3•能显著地提高工件的疲劳极限、耐磨性和耐腐蚀性在干摩擦条件下还具有抗擦伤和抗咬 合等性能4•由于软氮化层不存在脆性g相，故氮化层硬而具有一定的韧性，不容易剥落因此，目前生产中软氮化巳广泛应用于模具、量具、高速钢刀具、曲轴、齿轮、气缸套等耐 磨工件的处理应注意的是，气体软氮化目前存在问题是表层中铁氮化合物层厚度较薄(0.01-0.02mm)，且 氮化层硬度梯度较陡，故不宜在重载条件下工作另外，在氮化过程中，炉中会产生HCN 这种有毒气体，因此生产中要注意设备的密封，以免炉气漏出污染环境。