钢材表面处理之软氮化和硬氮化讲解，氮化笔记之“气”之差的经验和教训

本站此前曾发表过：钢材表面处理：软氮化与硬氮化讲解、渗碳+氮化+碳氮共渗表面处理工艺、氮化笔记“气”区别的经验教训、八类常见金属材料及表面处理工艺等等，今天我们就来了解一下：氮化处理是指在一定的介质中、一定的温度下，让氮原子渗入工件表层的一种化学热处理工艺。 氮化产品具有优良的耐磨性、抗疲劳性、耐腐蚀性和耐高温性。

》》氮化处理简介

传统合金钢材料中的铝、铬、钒、钼元素对氮化非常有帮助。 当这些元素在氮化温度下与初生氮原子接触时，形成稳定的氮化物。 特别地，钼不仅充当氮化物生成元素，而且还降低在氮化温度下出现的脆性。 其他合金钢中的元素，如镍、铜、硅、锰等，对氮化性能的贡献不大。 一般来说，如果钢材中含有一种或多种氮化元素，氮化后的效果会更好。 其中铝是最强的氮化元素，含0.85～1.5%铝的氮化效果最好。 对于含铬铬钢来说，如果有足够的含量，可以获得良好的效果。 但没有含合金的碳钢，因为生成的氮化层很脆，容易剥落，所以不适合作为氮化钢。

常用的氮化钢有如下六种：

(1)含铝低合金钢(标准氮化钢)

(2)含铬元素的中碳低合金钢SAE 4100、4300、5100、6100、8600、8700、9800系列。

（3）热作模具钢（含铬约5%）SAE H11（SKD-61）H12、H13

(4)铁素体和马氏体不锈钢SAE 400系列

(5)奥氏体不锈钢SAE 300系列

(6)沉淀硬化不锈钢17-4PH、17-7PH、A-286等。

标准含铝氮化钢经过氮化后可以获得非常高的硬度和高耐磨的表面层，但其硬化层也很脆。 相反，含铬的低合金钢硬度较低，但硬化层比较坚韧，其表面也具有相当的耐磨性和抗束性。 因此，在选择材料时，应注意材料的特性，充分利用其优点来满足零件的功能。 至于H11（SKD61）D2（SKD-11）等工具钢，其表面硬度高，心部强度高。

““影响

提高钢件的耐磨性、表面硬度、疲劳极限和耐腐蚀性。

》》技术流程

氮化前零件表面清理

大多数零件采用气体脱脂法脱脂后可立即氮化。 有些零件还需要用汽油清洗。 但如果氮化前的最终加工方法是抛光、磨削、抛光等，则可能会产生阻碍氮化的表面层，造成氮化后氮化层凹凸不平或凹凸不平。 出现弯曲等缺陷。 此时应采用以下两种方法之一去除表层。 第一种方法在氮化前使用气体除油。 然后用氧化铝粉对表面进行喷砂（研磨清洗）。 第二种方法是对表面进行磷化处理。

氮化炉废气

将待加工的零件放入氮化炉中，并在加热前密封炉盖。 然而，在加热到 150°C 之前必须排除炉内的空气。

排气炉的主要作用是防止氨与空气接触分解时产生爆炸性气体，并防止被处理物体和载体的表面氧化。 使用的气体是氨气和氮气。

排除炉内空气的关键如下：

① 待加工部件安装完毕后，密封炉盖，并开始以尽可能大的流量通入无水氨气。

②将加热炉自动控温设定为150℃，开始加热（注意炉温不能高于150℃）。

③当炉内空气排除到10%以下，或排出气体中含有NH3以上90%以上时，再将炉温提高到氮化温度。

氨分解率

当其他合金元素与初生氮接触时发生渗氮。 然而，初生氮的产生是由于当氨气与加热的钢材接触时，钢材本身成为催化剂，促进氨的分解。

虽然氮化可以在各种分解率的氨气下进行，但一般采用15～30％的分解率，并且氮化所需的厚度至少保持4～10小时，处理温度保持在520℃左右。 °C。 。

冷却

大多数工业氮化炉都配有热交换器，以便在氮化工作完成后快速冷却加热炉和加工零件。 即氮化完成后，关闭加热电源，使炉温降低50℃左右，然后将氨流量加倍，开始开启换热器。 此时应注意观察与排气管相连的玻璃瓶是否有气泡溢出，以确认炉内正压。 待炉内通入的氨气稳定后，可降低氨的流量，直至维持炉内正压。 当炉温降至150℃以下时，采用前面提到的排除炉内气体的方法，并在打开炉盖前通入空气或氮气。

》》气体渗氮

气体氮化是1923年德国AF Ry发表的，将工件放入炉内，直接通入NH3气体，在500～550℃的氮化炉内保温20～100小时，使NH3气体分解成原子态。 使用(N)气体和(H)气体进行氮化处理。 主要目的是在钢材表面产生耐磨、耐腐蚀的复合层。 其厚度约为0.02~0.02m/m，性质极硬Hv 1000~1200，且极脆。 NH3 的分解速率根据流量和温度而变化。 流量越大，分解速度越低。 流量越小，分解速度越高。 温度越高，分解速度越高。 温度越低，分解速度越慢。 NH3气体在570℃时的热分解如下：

NH3 →〔N〕Fe + 3/2 H2

然后分解的N扩散到钢的表面形成。 Fe2-3N相气体渗氮一般存在淬硬层薄、渗氮处理时间长的缺点。

气体渗氮由于NH3分解，渗氮效率较低，因此一般选择适合渗氮的钢种，如含有Al、Cr、Mo等渗氮元素的钢种，否则渗氮几乎不可能。 一般采用JIS和SACM1。 新的JIS、SACM645和SKD61是增韧的，也叫调质。 由于Al、Cr、Mo等都是提高相变点温度的元素，因此淬火温度高，回火温度也比普通结构合金钢高。 这种回火脆性是在氮化温度下长期加热时产生的，因此要提前进行回火增韧处理。 NH3气体氮化时间长且表面粗糙、硬脆且难磨削，长期不经济。 用于塑料注射成型机进料管、螺杆的氮化处理。

》》液体氮化

液态软氮化的主要区别是渗氮层中有Fe3Nε相和Fe4Nr相，没有Fe2Nxi相氮化物。 Ψ相化合物硬而脆，在氮化处理中韧性比氮化物差。 液体软氮化 其方法是先将工件除锈、脱脂，然后预热，然后放入氮化坩埚中。 坩埚以TF-1为主盐剂，加热至560~600℃，持续数分钟至数小时。 ，氮化层的深度由工件所受的外力载荷决定。 处理时必须通过坩埚底部通一根空气管，将一定量的空气渗氮盐剂分解成CN或CNO，然后渗透扩散到工作表面。 ，工件表面最外层化合物含有8～9%wt的N和少量的C以及扩散层。 氮原子扩散到α-Fe基中，使钢件更耐疲劳。 氮化期间，由于CNO的分解和消耗，因此需要在处理6～8小时内不断检测盐的成分，以便调整风量或添加新的盐。

液体软氮化处理所用材料为铁金属。 若含有Al、Cr、Mo、Ti等元素，氮化后的表面硬度较高。 含金越多，氮化深度越浅，如碳钢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、耐疲劳的汽车零部件、缝纫机、照相机等如缸套处理、气门阀件处理、活塞筒处理以及不易变形的模具零件。 使用液态软氮的国家有西欧国家、美国、苏联、日本等。

》》离子渗氮

该方法是将工件放入氮化炉内，预先将炉内抽真空至10-2～10-3Torr（㎜Hg），然后通入N2气体或N2+H2的混合气体，将炉内调至1 ~10 Torr，将炉体连接至阳极，工件连接至阴极。 两极之间通过数百伏的直流电压。 这时，炉内的氮气会发生辉煌的放电，变成正离子，向工作表面移动。 瞬间，阴极电压急剧下降，使正离子高速冲向阴极表面，将动能转化为气体能，使工件表面温度升高。 经过氮离子、Fe等元素的影响。 FeN，结果氮化铁逐渐吸附在工件上，产生氮化。 离子氮化基本上使用氮气，但如果添加烃类气体，则可以进行离子软氮化，但一般称为离子氮化。 通过改变炉内充入的混合气体（N2+H2）的分压比，可以调节工件表面的氮气浓度。 纯离子渗氮时，得到工作表面单相r'（Fe4N）组织的N含量。 在5.7~6.1%wt时，层厚在10μm以内。 该复合层坚固且无孔，不易脱落。 由于氮化铁不断被工件吸附并扩散到内部，因此从表面到内部的结构为FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N依次变化。 单相ε(Fe3N)的N含量为5.7~11.0%wt，单相Υ(Fe2N)的N含量为11.0~11.35%wt。 离子渗氮首先生成r相，然后加入烃系时，变成ε相的化合物层和扩散层。 扩散层的增加对于提高疲劳强度很有帮助。 ε相的耐蚀性最好。

离子渗氮处理的温度可以从350℃开始。 考虑到材料及其相关机械性能，处理时间可以从几分钟到很长时间。 这种方法不同于以往采用热分解化学反应的渗氮处理。 与其他方法不同，该方法使用高离子能量。 过去被认为难以处理的不锈钢、钛​​和钴等材料现在可以通过优异的表面硬化处理来轻松处理。

来源 | 科普中国