渗氮及氮化处理.doc

1、- 1 -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

2、 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

3、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

4、 ， 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 。 - 2 -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

5、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

6、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

7、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- 3 -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

8、 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- 4 -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 ： 可 适 当 缩 短 渗 氮 周 期 ； 渗 氮 层 脆 性 小 ； 可 节 约 能 源 和 氨 的 消 耗 量 ； 对 不 需 要 渗 氮 的 部 分 可屏 蔽 起 来 ， 实 现 局 部 渗

9、氮 ； 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 。 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 。 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 -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

10、 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

11、 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

12、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

13、 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

14、 光 离 子 氮 化- 10 -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1 压痕边角完整无缺2 压痕一边或一角碎裂3 压痕二边或二角碎裂4 压痕三边或三角碎裂5 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

15、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

16、 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 。 - 11 -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

17、 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 12 次 去应 力 ， 以

18、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

19、层 全 部去 除 ， 以 保 证 渗 氮 层 的 质 量 。 - 12 -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 。 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

20、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 510530 ， 其 渗 氮 工 艺 曲 线 如 图 2-42 所 示 。 第 一 阶 段 保 温 1520h， 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

21、 左 右 。 为 减 少 渗 氮 层 的 脆 性 ， 在 渗 氮 结 束 前 24h 进 行 退 氮 处 理 ， 氨 分 解 率 提高 到 70%以 上 ， 退 氮 温 度 提 高 到 560570 。 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

22、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- 13 -550560 ， 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

23、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

24、工 艺 略 大 。氮化处理- 14 -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。目录展开本 文 源 自 宁 波 奇 威 金 属 科 技 材 料 运 用 研 究 所 ， 刘 先 生 131 23 822 600 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

25、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

26、 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

27、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

28、 粒 铁 及 麻 田 散 铁 系 不 锈 钢 SAE 400 系 - 15 -（ 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

29、 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

30、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abrasive 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 以

31、 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 ： 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 。 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

32、 ）。 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

33、 保 持 4 10 小 时 ， 处 理 温 度 即 保 持 在 520 左 右 。 - 16 -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

34、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 AF ry 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）

35、 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 570 时 经 热 分解 如 下 ： NH3 N Fe + 2/3 H2

36、 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

37、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 Fe3N

38、相 ， Fe4Nr 相 存 在 而 不 含 Fe2N相 氮 化 物 ， 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

39、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 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- 17 -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

40、， 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 。 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

41、 工 件 放 置 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 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

42、 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

43、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 10n 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 （ Fe3N） 含 N 量 在5.7 11.0%wt， 单 相 （ 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

44、 氢 气 系 时 使 其 变 成 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 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 、

45、钴 等 材 料 也 能 简单 的 施 以 优 秀 的 表 面 硬 化 处 相 关 标 准GB/T11354-2005 钢 铁 零 件 渗 氮 层 深 度 测 定 和 金 相 组 织 检 验 GB/T18177-2008 钢 件 的 气 体 渗 氮 HB/Z79-1995 航 空 结 构 钢 及 不 锈 钢 渗 氮 工 艺 说 明 书 JB/T6956-2007 钢 铁 件 的 离 子 渗 氮 JB/T8491.5-2008 机 床 零 件 热 处 理 技 术 条 件 5 渗 氮 、 氮 碳 共 渗 JB/T9172-1999 齿 轮 渗 氮 、 氮 碳 共 渗 工 艺 及 质 量 控 制 JB/T9173-1999 齿 轮 碳 氮 共 渗 工 艺 及 质 量 控 制 - 18 -QJ2539.3-1993 化 学 热 处 理 钢 的 气 体 渗 氮 CB3385-1991 钢 铁 零 件 渗 氮 层 深 度 测 定 方 法