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不銹鋼氮化處理加硬 |
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一、定義
氮化 ：滲氮
nitrding,nitrogen case hardenin
在一定溫度下一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。
常見(jiàn)有液體滲氮、氣體滲氮、離子滲氮。
氮化處理又稱(chēng)為擴(kuò)散滲氮。氣體滲氮在1923年左右，由德國(guó)人Fry首度研究發(fā)展并加以工業(yè)化。由于經(jīng)本法處理的制品具有優(yōu)異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。例如鉆頭、螺絲攻、擠壓模、壓鑄模、鍜壓機(jī)用鍜造模、螺桿、連桿、曲軸、吸氣及排氣活門(mén)及齒輪凸輪等均有使用。
二、氮化用鋼簡(jiǎn)介
傳統(tǒng)的合金鋼料中之鋁、鉻、釩及鉬元素對(duì)滲氮甚有幫助。這些元素在滲氮溫度中，與初生態(tài)的氮原子接觸時(shí)，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(shí)所發(fā)生的脆性。其他合金鋼中的元素，如鎳、銅、硅、錳等，對(duì)滲氮特性并無(wú)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(qiáng)的氮化物元素，含有0.85～1.5％鋁的滲氮結(jié)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(méi)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)?shù)哪湍バ约澳褪男�。因此選用材料時(shí)，宜注意材料之特征，充分利用其優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)度。
三、氮化處理技術(shù)
調(diào)質(zhì)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。部分零件也需要用汽油清洗比較好，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(chǎn)生阻礙滲氮的表面層，致使?jié)B氮后，氮化層不均勻或發(fā)生彎曲等缺陷。此時(shí)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(nèi)排除空氣工作。
排除爐內(nèi)的主要功用是防止氨氣分解時(shí)與空氣接觸而發(fā)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?dú)舛N。
排除爐內(nèi)空氣的要領(lǐng)如下：
①被處理零件裝妥后將爐蓋封好，開(kāi)始通無(wú)水氨氣，其流量盡量可能多。
�、趯⒓訜釥t之自動(dòng)溫度控制設(shè)定在150℃并開(kāi)始加熱（注意爐溫不能高于150℃）。
�、蹱t中之空氣排除至10％以下，或排出之氣體含90％以上之NH3時(shí)，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(tài)的氮接觸而進(jìn)行，但初生態(tài)氮的產(chǎn)生，即因氨氣與加熱中的鋼料接觸時(shí)鋼料本身成為觸媒而促進(jìn)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(shí)，處理溫度即保持在520℃左右。
�。�4）冷卻
大部份的工業(yè)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(guān)閉，使?fàn)t溫降低約50℃，然后將氨的流量增加一倍后開(kāi)始啟開(kāi)熱交換機(jī)。此時(shí)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(rèn)爐內(nèi)之正壓。等候?qū)霠t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(dāng)爐溫下降至150℃以下時(shí)，即使用前面所述之排除爐內(nèi)氣體法，導(dǎo)入空氣或氮?dú)夂蠓娇蓡㈤_(kāi)爐蓋。
四、氣體氮化技術(shù)
氣體氮化系于1923年由德國(guó)AF ry 所發(fā)表，將工件置于爐內(nèi)，利NH3氣直接輸進(jìn)500～550℃的氮化爐內(nèi)，保持20～100小時(shí)，使NH3氣分解為原子狀態(tài)的（N）氣與（H）氣而進(jìn)行滲氮處理，在使鋼的表面產(chǎn)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(zhì)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(shí)經(jīng)熱分解如下：
NH3 →〔N〕Fe + 2/3 H2
經(jīng)分解出來(lái)的N，隨而擴(kuò)散進(jìn)入鋼的表面形成。相的Fe2 - 3N氣體滲氮，一般缺點(diǎn)為硬化層薄而氮化處理時(shí)間長(zhǎng)。
氣體氮化因分解NH3進(jìn)行滲氮效率低，故一般均固定選用適用于氮化之鋼種，如含有Al，Cr，Mo等氮化元素，否則氮化幾無(wú)法進(jìn)行，一般使用有JIS、SACM1新JIS、SACM645及SKD61以強(qiáng)韌化處理又稱(chēng)調(diào)質(zhì)因Al，Cr，Mo等皆為提高變態(tài)點(diǎn)溫度之元素，故淬火溫度高，回火溫度亦較普通之構(gòu)造用合金鋼高，此乃在氮化溫度長(zhǎng)時(shí)間加熱之間，發(fā)生回火脆性，故預(yù)先施以調(diào)質(zhì)強(qiáng)韌化處理。NH3氣體氮化，因?yàn)闀r(shí)間長(zhǎng)表面粗糙，硬而較脆不易研磨，而且時(shí)間長(zhǎng)不經(jīng)濟(jì)，用于塑膠射出形機(jī)的送料管及螺旋桿的氮化。
五、液體氮化技術(shù)
液體軟氮化主要不同是在氮化層里之有Fe3Nε相，F(xiàn)e4Nr相存在而不含F(xiàn)e2Nξ相氮化物，ξ相化合物硬脆在氮化處理上是不良于韌性的氮化物，液體軟氮化的方法是將被處理工件，先除銹，脫脂，預(yù)熱后再置于氮化坩堝內(nèi)，坩堝內(nèi)是以TF – 1為主鹽劑，被加溫到560～600℃處理數(shù)分至數(shù)小時(shí)，依工件所受外力負(fù)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(kuò)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(kuò)散層，氮原子擴(kuò)散入α – Fe基地中使鋼件更具耐疲勞性，氮化期間由于CNO之分解消耗，所以不斷要在6～8小時(shí)處理中化驗(yàn)鹽劑成份，以便調(diào)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。
液體軟氮化適用于耐磨及耐疲勞等汽車(chē)零件，縫衣機(jī)、照相機(jī)等如氣缸套處理，氣門(mén)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(guó)家，西歐各國(guó)、美國(guó)、蘇俄、日本、臺(tái)灣。
六、離子氮化技術(shù)
此一方法為將一工件放置于氮化爐內(nèi)，預(yù)先將爐內(nèi)抽成真空達(dá)10-2～10-3 Torr（㎜Hg）后導(dǎo)入N2氣體或N2 + H2之混合氣體，調(diào)整爐內(nèi)達(dá)1～10 Torr，將爐體接上陽(yáng)極，工件接上陰極，兩極間通以數(shù)百伏之直流電壓，此時(shí)爐內(nèi)之N2氣體則發(fā)生光輝放電成正離子，向工作表面移動(dòng)，在瞬間陰極電壓急劇下降，使正離子以高速?zèng)_向陰極表面，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闅饽�，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(lái)與氮離子結(jié)合成FeN，由此氮化鐵逐漸被吸附在工件上而產(chǎn)生氮化作用，離子氮化在基本上是采用氮?dú)猓籼砑犹蓟瘹湎禋怏w則可作離子軟氮化處理，但一般統(tǒng)稱(chēng)離子氮化處理，工件表面氮?dú)鉂舛瓤筛淖儬t內(nèi)充填的混合氣體（N2 + H2）的分壓比調(diào)節(jié)得之，純離子氮化時(shí)，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(nèi)，此化合物層強(qiáng)韌而非多孔質(zhì)層，不易脫落，由于氮化鐵不斷的被工件吸附并擴(kuò)散至內(nèi)部，由表面至內(nèi)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(shí)使其變成ε相之化合物層與擴(kuò)散層，由于擴(kuò)散層的增加對(duì)疲勞強(qiáng)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(kāi)始，由于考慮到材質(zhì)及其相關(guān)機(jī)械性質(zhì)的選用處理時(shí)間可由數(shù)分鐘以致于長(zhǎng)時(shí)間的處理，本法與過(guò)去利用熱分解方化學(xué)反應(yīng)而氮化的處理法不同，本法系利用高離子能之故，過(guò)去認(rèn)為難處理的不銹鋼、鈦、鈷等材料也能簡(jiǎn)單的施以優(yōu)秀的表面硬化處. |
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