渗氮及氮化处理.docx

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1、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

2、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

3、理工艺之一。-7 -El s-n-H魁輒层股庇过雀示育團!血炉内不晰城扎閱气畫一氨分子向金属丧露肚轅倉一訊分于被盘屈撚頁吸附Q-電井子在相界由上不齢増加比航H麒予和氢原子恬比廨子复合或分 F经怦界瞄反应时护註层界k断从沪内徘岀 一義面除附的眾麻于带解于*両 中无-鬣矗子曲金属盘网向内部扩散*井产生一定的悵度井布一当氮姥过在 *应屮的晦韶度后，義展开绘爭成激化物一猱化樹沿金属表血的垂玄方向和平 存心舟K先姦孫城庆尬成y Jflftn （A E亀化屋不斯悄原 一担疏罠化相向窑厲內耶扩筋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38CrMoAI等渗氮钢。渗氮后工件表面硬度可

4、达HV8501200。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480520C之间,氨气分解率为1530%,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

5、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550700C之间，保温0.53小时，氨分解率为 3570%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。离子渗氮箋离子体肌魁坪旱硏；这里描的等离子悴基一种电离气评*是由齊了'电了和中杵粒T护須 癒的集俸，整休里现巾性口址带电越尹粗喊的电码更，倚称物顷酌第四态關子豫氮点干沉枳恒低温等疑子休.就是等离子悴中的車腔子齟度丁 =匚（口由业子温度. 由严址査粒了隘况懐近常电心葛虞高达1小【厅&胪必述种

6、年离子体你为非平翔尊离了炼，为荻烬尊离子体，必埶使中性粒子电离，在离子机积中”主婆是运用低議气休放电的方济 債博等脛子体"隹低圧“:体扳电评她时总狂在有口熔吐"初期电子），雎以岛压电场启+迪种 自勲电子親陽足够槌暈祓加通，并号中性粒子竝撞而电砲。电廊产生的电子只进-涉便瓦他中 性的nT±电厲，莅成建就反直盼賂战零离产佑所使用的电场电直济、射骥、熾诙电场.4.2.1”】等离子体的性蔵等瞬尹岸应谨嚨是一个完琏的務瑾体系宏现匕.等皑¥0晶中性的*具有很慚的卑电率，在 等离子依中的化学反应比整吧学反症容易进行，瓦羽电裡子在敵唱空问（花体）有迪运动、电场作 用F的

7、辻穆远动和沿帯电粒子洙度递碰方向的扩般运谕”.2.12毛伴放电时伏安特壮曲醱閑阳根间气依的放电不存合收姗定伸。气体放电在阴阳极问的底压与电流餐系如图4I伏安 待件曲域7t® 4-1中A点前，阴切极之何没育可见电赚,处于非自捋收电区；当电压増加到A点 时、谢阳战同突然有大电流产生、称人点用術点蝎电庭阴梅郁分表面产年了拆光，阴阳极间电 JE直叩I降到"点,A点后为自持啟电区HC區闾为正需眸光玻电区，这时措加址压吨诚小眼流 电阻，阴极表面覆盖辉洸面枳堆尢，电瀝陡之增加，闻在亚常挥光放电区中阴阳極副屯压不变頂J C 点圧，雉续増犬电妞或减少醍说邑齟当辉光全部覆差阳桩筈曲，緬着电裁增

8、加擾阎电雇他增丈， 称CD区间為异常辉光放电区彳过了 D点薛+电沅突雄增大，爾此时极间电压反而下降.此时輝光 熄灭-西机袁面出现址烈的甄光.称UE为弧光放电区柱*中述会详述X当弋阵性庄、电租材料*温医定时'点燃电压占压匪/科相伺更日妁策枳弃黄.它有一命最 低値：关系剂團克-E浙示,即巴幡曲载，由于电子在两衣槎摊之间的平均路程与气协密？成皮 比即与汽压p成反比+所以pXd的倩实质上盛反帙出、个电T从阴扱到阳楓过輕中的平购盛 擔次数，电护从帜极到阳极的过思中禅撞机數过少引发的电离数裁少.不易点燃：相反碰損 次敕谊务耳次谥撞前*眞电子加連的路理就直.？电子达不御便分干电囱阳需的逋度，包此电阵

9、也 少。所UiflEJSifc数过寒或过少林不剧点墨商在某一堆隹平均曜摊欧数下、其所需的朋闭极间点 燃电压最低卫1图申巴环曲戟的AU氐点，两4薛出厳电伏去密性曲梶询81X30f Xi/? kPamrn图l-z点啊电压场px川值去系又称辉光渗氮，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。 .-舌当缩短渗

10、氮周期；吨:2与一般的气本渗氮相比离子渗氮的特点是：可： 渗氮层脆性小；可节约能源和氨的消耗量；对不需 屏蔽起来实现局部渗氮；离子轰击有净化表面作用， 钝化膜，可使不锈钢、刪热钢工件直接渗氮。渗层厚度和组织可以控制。离子渗氮发展迅速，已桝机床丝杆、齿轮、模具等工件吧离过程囚此町心屹到卿光但仔细观探发现'辉光从阴議到闭鞍的另布是不均匀的，苴状况 如闍4齐丛阴极列用磁的尤屋按I帆序茲殆底过軽为藕耳阴様表面+約1 mmff,电子从阴械於射出来*立即进人鳥电场强度区, 并被加速，由于靠就离齐明槌氏遠度込很小庶繼产生濒岌，因此韭有发光理龜.极晖区；电子被加速刮足毅产生淆发，因而产牛拆光.冏扱谱n

11、r鮭酣纓辉区洁.迷岌进一出堪大*足以产生电离，嵋嚴发根少卜爾氏称曲 阴极晡区.以上三区与阳极之购具音很大的傥降【电位澤落儿称为阴极位降区q三区厅度之和即为阴 般位降区毗，芹厚度峙电压、库压戦它关.4负辉羔；阴槪悅降俄电离的H!子多数是慢电子丙君*受非弹性碰撞能蜀陆低其能质 小于电离能口世可产生濫发班tffi和电了与倉于同的复合、因lit生此区申产生大蛍的淞发发光和 逐合发光*就就是负辉区光疑强的原丙。赧弊区与阴廉辭区冇图屋的界限，帖）法強第瞎区，犬剖分理护已在负輝匱泉失了施暈，此医的电场穆驾"电子巳无足蜃的能 韋进行明显的激发和电薦，囚吐北度很乔.W）疋注区：正社区中，1E负鶴子數相

12、等，因此又称導离子区，带电粒子肃度一般为凶桂光皱吐的裁池井商最蓉幷時性"一阿新越略区*人一團概毒区卜=一陳靈殆区匸祖一站帰区严一!£拉第睛区| F正柱区阳極惜医川一阳醫许区1屮】呼个,f 正离子计移畔很低电子迁移事高*因此零瘠子体区昙一强导体.它在岂 休裁电申的年用狂传导电茫，此憧的电场握度比阴扱区小几个數量级。所以电子在等芻子母 区王要是件兀规神的自由运功其运动理度比迁移理度大几个散就缎、并有大建的非尊性（了）阳扱睛区：是阳极区的组底那分阴扱区包格阳极陆区和阳赠柳区°f"阳械辉区：在零离子体区的阳规端电子披氏謹眇吸引*离子被阳极所排斥在陨扱前 形嚴负的

13、空间屯荷.电位急剧幵髙，形成阳极屯位"电了在阳扱械的遽锂ia在阳极利产生 激发和电离.形成阳桎舛阳様电伦的雄性尿决干阳极上电子的性质，若从限杭跑到阳根端 的电子数大平从薛离于区篷阳枫釣白由运动的电于数时，阳极电傥为正，电于被加n*否则 归視电位为负.辉世放理的一股特征是（】发光闻赵用气体的种类而异”純薛光呈淡蘊色*武呈紫色，氯呈紫蔬色。敖电弐压一般住4001333. OPta,tt电电流密度1C-1 -lOmA/cm*©高申压小电流巒度的放电.（4辉光放电埜鉴靠阴槻发肘电子丁过程来蜉持.离尹轰击（冲击表面处理过取中，主要是工tk任异當靜尢区。放曲时*阳扱位降和阴缎位輝 区不

14、仅和吒压卫电关.述与电流密度有关.阴碾全部布満舞光.电沆帶度丿圈阳极位降的培 加而増加，梵黄系为卞、=V：屮孕 4 _ jn4-1云4-1中,；为异常PH槪陰降,VH为正常弊光拉降；j为畀常胡根也降时的电滝密度心。为正 當阴橈位降时的电流密度：K为當數.阴极位降区的旋度业式4 -2中J为电谎帘廈为气压炖为常数，氮气在低Stif-常譯此皱电对、疋、=66GPa * mmr p= 133SPfi,<7k = D. 5mnMp 133Pa缶= Smiri $>?=13. 3Pii,必=5在伏安特IT陆线上超过D点为弧充歳申”产主弧光枕电，就金便玻桩理的丁件遭烧毀表 4 2足菟光放电与縛光

15、放电的比较"4-2軌光故电与辉提放电的比较1狡电将也辖充敞电W光放电电抵彼几FT（伏、兀十（伏）1发粉宴小丸胡機?S射电于过禅二桃电予孙电干应册破矶于鋼穆.发別岖子直城応卩朝54气佯斛光吒体星阴撞材弭光谱色阳變、珮理、正杵区4.?. L 3 离子轰击阴极朝面物理、此手就廉离于表击表面瘵左冷一按列的物理、化学现歸*这些班象在魔子渗氨和离子汽相机移 扱車突的作用，表4 3列出了苴中比蜕巫要的现象°衰4 -3薩子豪我阴按泵面的一些物理、代学现您愉理化帑现載说明J目弗离干总击阴刼舉面討療阴吸炭购的中性原了戒分予从袁q分支 IE模作離发过裡.：2昭崛我时最斛出朮的歳子导靠娠衣面的售4

16、SL岸中稻性舉遢的甌原子 合*空戦參凰忍化笙且期酌样開軽夫面上又蘇皆锻射3二找电孑拄射即丁过甘）咼子眾击匪檯"庭射山二氏电于足雉捕招坡电约必壑头件4凹按亂妾击如热离丁我白阴檢釣有為折的就融转征力般龍.工件拿為丁戕缶加热八租 澳子金薑、«（子汎积扩賊噪层的屯麼供.丈*获电彊憲的竽ra 4 4 cw f s击阴极（工件 '时在衣曲产生 的备种现象*除上述谈覆的阴极澱射.爵附、二 次电乎发射、阴极披址热外还有气体的傭吸与 分解*阴极械加热后局部区城的匝下扩敢产生 的胳陪袈化和鳶于注入等现象。圈，4离子轰击阴按寰面的反应 0为表面磯射出耒帕原F42,2吏子潅氮的特点离子榕氮

17、具右也下优点；<1>» a速度快（一般为气»»»时何 的 1/3 1/5） >（2>ft效率高，无需外加热源，琳离子轰击加 热誉能省气！Q）渗层组织脆性小*易揑（通过质锻流暈 M，有效控制龜fit含直比，氢軌含量比可殃腌性 小的#单相层或薄薄的韧性丫'和申相展或仅仅只 有扩散层h（4处理丄件变形小（雉理温度可降至 斗皿匸，加上阴极機射部井抵清了潘氮譽胀卄5）滲层尺寸易精确茅制*行）易文现局部穆累（不需渗层部分可采用 涂畏屏敵,G）处遲材料血广C-敏可从黒邑金厲斜有 色金居和稀誉金属卄但离子濃据也有其厭点：（"设蔷

18、校为夏杂.一次性投資、捲修、垂护密用相对较島;（力冃前带以对工件准确测温彳3对不同形状、尺寸、材料的零部件难以視合装沪】（心对攥作入员的技术水平耍求駁高”4. X3离于港氮的甚础4. 2. 3. 1 斑 N拓和Fi N C亀状态陶F&N系和FdMC系牧态图是离子濫氮处理辆部件、卑岛其性能的最羽藍的慕础*铁和観形成 觐化物和同沼体是总基車的硏究也是堤高術制郁杵最为基本的巫翌垦础"圏4 5利圏&乩分别足 N系和2C系狀态匡中叶住内挺的罔酵民根限和碳的庖濬度栈限.从虧中E知，在訥GT时虫 在« Fc中的帘解度为0. 11蚪（常也吋为丄乳以下:h在72FC时，碳在&

19、#176; F上中的洛解度为0. 022 曲相是其有体心立方晶格的含氮轶素体，氨位于®廐的扁塔的人面体间痕中；了相皋具有面心立方晶 格恂含眾輿氏体恿原子兀序地分布生八面休的间妆中熬在相中策大榕解度为対/就乂时理 栢壇生共析转畫即>->«+/. 了怡的共析含軾暈为乂英蚪°如将了柏恨通挣却相变対丁的陆心 疋方品搐+蘇朴状马氏休.即称为含氮号氏体它足氮庄住斤中过饱和的固溶体.阳1活 牡乐 内氮的固洛度极限4-5片沧内篠的固溶庫相癥-10-相足*相回火分解时幵始形戍购亚毬稻相相当丁 I畑rN随凰火进行生成楡定的F%N为休心正方品札 氮原子分布*（0*0* |

20、和寺和的位置M相區议F&N为基的血洛体。&9QV时单相区位于 含氮为5, 3QK-S.阳胫，为官心立方鼎给.氨煨有序 地分棚在单位晶腕中心位置（"!¥，+）*/相在57OX 以F是爲定相+高十出:沮度变会转变成e相"电相皐以F內“阳为基的倉灣休*氟敢曜也国很覽 （4. 55州一1X0咯为密排六方晶格，気原孑分布存类行 墨话格人面体可隙中/丸匸发生如折分端即It*丫+Y* 共析含氮最为i.5%.¥相辰股F®N極代物为棊的固涪休，氮原子呈冇序 分布.斛方罷格E栢单粮区位于氯揪度为1LO7> 11,耳5州的范糊内，庄JTC以下果

21、撮足的.表44商图 1-7分别为斤小系扛化物的性址和各柑鯉度。團*呂恳FhN-C系三无状态匪，从團中可令析出在离子祸鼠时擔层桁的组就及展分“淆穌肘的匕鼠化樹Fh MN.G 较大的加原子K庇士认叮X 1旷3«0连换部分眾原子5=0.uxi<r»m人从而导致臣相關格常數増太a在世相中，原子冃 分雜C/N比偵达到1.20-. 25时点叫嶽豆老扩大劉t栢区.e-F" .iNtC）比«-F<*. -a N蜒性 低，具有牧盘理度上性、側烛性蚪。a 4 4卜lN拣中化检的性质结鼻枸遇品松希独/S * «31_,ahCa»Ft体宜为2,

22、d«6l*7. «7407y F而心直玄&7& 1303.667. ?«3. Daaor-F*CN1愠DiE用2, S52” S4工鮎3. M Qc- -Fcjfl Na障心宜片齐门fi. 391-.Yl-FctN面心宜i3”怦-7. 22轧昶X 7477, 20&.B5S.ddiT. 18S. 14®-F*f_ piN懈州真A3. 70一4,3“7,217.00i. 72-4. 2&77.17T.73J. 714.4147. 119. 00S.774. 4227,0711.00eFtyN軒方晶幡2. Hl4. 4ZE7.

23、 0S11.05表佃和ft 4-6 Jg Fe N C 中产生枫化卿E相札丫相崔的0了00工时氟剧曠的固溶极限" 爪囲4-B和表4-3 我4-6屮可诅看出.丫压N中氟的固寤极限在500C时为工4%在 旳MC时含柩星为5. 2-5. 7 VL固涪攒限懂化不大"当SI廈大于MJFC时丫'柑分解"/t 500- E；制七#相儿乎不固辭碳亠e根中規的宦帶嫩隈在Ff 乖中.当渋度为500%时*馬达人了舄 门0%,而在FlN C藕中500-550 V吋舎編绘仅为SHCOOr时，合亂世为:&%相比之下眾 的首溶极隈减少"2相中的碳含華.住弓"

24、肘最髙为劳l%ECK；t时：最序为仍冇较髙 的碳鬧落赛4吕Ff-N-C 中E相限3氮曜/號肯機JT關5Wf.O(ftfi)11（屋高3 一肌眾科）6W3.14(«A>71?0鼠酬敞请；3. 0( « 高)E 相中利和欣临3含It古6-lJH.15 4-fi FiN<麻中T相的氛砖固潯櫛阳ttlA/r占眾/曲50fl5. 4£. 1几幕不同沸5. 2«T）35u5> 35. 97UQ5,2-5.?4.2-4譎子港麵的理论瞬f盂主胡极材料表面览牛一系列沏樹理、圮学现廉.这垄欄理化学现龜宦鳖令醸頼过程 中的丄艺临用足整复杂的.醐如，氟就.汽相

25、转務劉圍相.并非只有一种途径以哪 书作用为主 我0【的赛趣认肯.不陀一概而论，它的左武黄系全靠不同婶兄的挾电圣昨（帅吒魅丹黑、皿5K炉 压、电压寻）南定"討谿起来鸯子渗鼠的主要理论有才，L） 1 K6llwl的感射勺沉和理论i在真空离了膨氮沪的阴阳接加高fU/l后，狗薄2侔披 电農.形盛尊离子体其屮r，h+ .nh;零正翦子在阴掛位曇区械加遠'羞击r冲击工件養 面靠离子轰市（冲71八便轰击的陆龍转变底热能，寛珑如热赴理工件”具中灯山出銮的电 于严丄一.枕电f发ffT注画极上占规射，打甜谶療*辙，铁等卄铁与阴援附近的活熾無原 子幣威bVN.由于背離対、又況駅和萌尿侵面，F翻分軾

26、3 FcNF灯Nf F均Nf血N） 分解 析出的亂原子大部分向财挟内密锻锻人*小瓠井題冋等离子（I区”建种鑒氛屋是迖过"嗚撓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530570C，保温时间13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

27、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 46h可得到0.50.8mm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

28、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

29、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。-27 -S»IT.余蚩5

30、rrEn ；mjnj®m一余 m* ) m fi - 5 mm”瓦社的讥械別T.示童 OJntm UWntF*悯胡耳费聲關I甲m卜：灶中瘡纵母训:的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：锻造一正火（退火）-粗加 工一调质一精加工一去应力-精磨一渗氮一精磨一装配。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

31、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渗

32、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 510530°C，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560570C。等温渗氮工艺过程简单，渗氮温度较低、渗层浅、零

33、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 550560C，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

34、，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。f 丁 lr-itarf -a uw " f r f r|w igr1* - = - - H F-3J-4S -ft.两抵*三jft構集it前比鼓童#方法虚at丄±ll_.LHVBtlel/hJIO2t*551舟30 M0. 51 0* 54円AH网後*盘左1 JIO1 550Zl-懿15-£53040ZS1 士i1 540 S4H22«35

35、r 2 JOT巾o.«s乜加nw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。目录展开切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、鍛压机 用鍛造模、螺杆、连杆、曲轴、吸

36、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0.851.5%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

37、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

38、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abrasive cleaning 。第二种方法即将表面加以磷酸皮膜处理（pho

39、sphate coati ng ）。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： 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 °C并开始加热（注意炉温不能高于150C）。 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

40、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1530%的分解率，并按渗氮所 需厚度至少保持410小时，处理温度即保持在520 C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 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

41、温下降至150 C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 C的氮化炉内，保持20100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0.020.02m/m，其性质极硬 Hv 10001200，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

42、 解如下：NH3 NFe + 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等皆为提咼变态点温度之兀素，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

43、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 &相，Fe4Nr相存在而不含 Fe2N E相氮化 物，E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 C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 89%wt的N 及少量的C及

44、扩散层，氮原子扩散入a - Fe基地中使钢件更具耐疲劳性，氮化期间由于 CNO之分解消耗，所以不断要在 68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 350650，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：此一方法为将一工件放置于

45、氮化炉内，预 先将炉内抽成真空达 10-210-3 Torr (mm Hg ) 后导入N2气体或N2 + H2之混合气体，调整 炉内达110 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

46、， 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5.76.1%wt ,厚层在10卩n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 T Fe2N宀Fe3NR Fe4N顺序变化，单相 & Fe3N )含N量在5.7 11.0%wt，单相 E( 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，由于扩散层的增加对疲劳强度的增加有很多 助。而蚀

47、性以£相最佳。离子氮化处理的度可从350 °C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、钻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