氮化

時間：2013-04-09 02:14:07 來源：作者：

氮化簡介：
一、氮化的機(jī)理。
      氮化是將工件放入大量活性氮原子的介質(zhì)中，在一定溫度與壓力下，把氮原子滲入鋼件表面，形成富氮硬化層的熱處理。
二、氮化的作用。
      1、氮化能使零件表面有更高的硬度和賴磨性。例如用38CrMoAlA鋼制作的零件經(jīng)氮化處理后表面的硬度可達(dá)HV=950—1200，相當(dāng)于HRC=65—72，而且氮化后的高強(qiáng)度和高耐磨性保持到500—600℃，不會發(fā)生顯著的改變。
      2、能提高抗疲勞能力。由于氮化層內(nèi)形成了更大的壓應(yīng)力，因此在交變載荷作用下，零件表現(xiàn)出具有更高的疲勞極限和較低的缺口敏感性，氮化后工件的疲勞極限可提高15—35%。
      3、提高工件抗腐蝕能力，由于氮化使工件表面形成一層致密的、化學(xué)穩(wěn)定性較高的ε相層，在水蒸氣中及堿性溶液中具有高的抗腐蝕性，此種氮化法又簡單又經(jīng)濟(jì)，可以代替鍍鋅、發(fā)藍(lán)，以及其它化學(xué)鍍層處理。此外，有些模具經(jīng)過氮化，不但可以提高耐磨性和抗腐性，還能減少模具與零件的粘合現(xiàn)象，延長模具的工作壽命。
      三、氮化的實現(xiàn)方法。
1、氣體氮化
氣體氮化是將工件放入一個密封空間內(nèi)，通入氨氣，加熱到500-580℃保溫幾個小時到幾十個小時。氨氣在400℃以上將發(fā)生如下分解反應(yīng)：2NH3—→3H2+2[N]，從而爐內(nèi)就有大量活性氮原子，活性氮原子[N]被鋼表面吸收，并向內(nèi)部擴(kuò)散，從而形成了氮化層。
      以提高硬度和耐磨性的氮化通常滲氮溫度為500—520℃。停留時間取決于滲氮層所需要的厚度，一般以0.01mm/h計算。因此為獲得0.25—0.65mm的厚度，所需要的時間約為20—60h。提高滲氮溫度，雖然可以加速滲氮過程，但會使氮化物聚集、粗化，從而使零件表面層的硬度降低。
      對于提高硬度和耐磨性的氮化，在氮化時必須采用含Mo、A、V等元素的合金鋼，如38CrMoAlA、38CrMoAA等鋼。這些鋼經(jīng)氮很后，在氮化層中含有各種合金氮化物，如：AlN、CrN、MoN、VN等。這些氮化物具有很高的硬度和穩(wěn)定性，并且均勻彌散地分布于鋼中，使鋼的氮化層具有很高的硬度和耐磨性。Cr還能提高鋼的淬透性，使大型零件在氮化前調(diào)質(zhì)時能得到均勻的機(jī)械性能。Mo還能細(xì)化晶粒，并降低鋼的第二類回火脆性。如果用普通碳鋼，在氮化層中形成純氮化鐵，當(dāng)加熱到較高溫度時，易于分解聚集粗化，不能獲得高硬度和高耐磨性。
      抗腐蝕氮化溫度一般在600—700℃之間，分解率大致在40—70%范圍，停留時間由15分鐘到4小時不等，深度一般不超過0.05m m。對于抗腐蝕的氮化用鋼，可應(yīng)用任何鋼種，都能獲得良好的效果。
      2、液體氮化
液體氮化它是一種較新的化學(xué)熱處理工藝，溫度不超過570℃，處理時間短，僅1—3h；而且不要專用鋼材，試驗表明：40Cr經(jīng)液體氮化處理比一般淬火回火后的抗磨能力提高50％；鑄鐵經(jīng)液體氮化處理其抗磨能力提高更多。不僅如此，實踐證明：經(jīng)過液體氮化處理的零件，在耐疲勞性、耐腐蝕性等方面都有不同程度的提高；高速鋼刀具經(jīng)液體氮化處理，一般能提高使用壽命20—200%；3Cr2W8V壓鑄模經(jīng)液體氮化處理后，可提高使用壽命3—5倍。液體氮化表層硬而不脆，并且具有一定的韌性，不容易發(fā)生剝落現(xiàn)象。
      但是，液體氮化也有缺點：如它的氮化表層中的氮鐵化合物層厚度比較薄，僅僅只有0.01—0.02mm。國外多采用氰化鹽作原料液體氮化，國內(nèi)已改用無毒原料液體氮化。我國無毒液體氮化的配方是：尿素40%，碳酸鈉30%、氯化鉀20%，氫氧化鉀10%(混合鹽溶點為340℃左右)。液體氮化雖然有很多優(yōu)點，但由于溶鹽反應(yīng)有毒性，影響操作人員身體健康，廢鹽也不好處理。因此，與用越來越受到限制。
      3、離子氮化
離子氮化又叫“輝光離子氮化”是最近起來的一種熱處理工藝，它具有生產(chǎn)周期短，零件表面硬度高，能控制氮化層脆性等優(yōu)點。因而，近幾年來國內(nèi)發(fā)展迅速，使用范圍很廣。
      輝光離子氮化的基本原理：
輝光離子氮化是將零件放到離子氮化的真空室內(nèi)，氮化的零件接高壓直流電源的陰極(負(fù)極)，電爐外殼接直流高壓電源的陽極(正極)，當(dāng)向真空容器內(nèi)充入氨氣，但容器內(nèi)壓強(qiáng)保持200-1000PA之間，在陰極和陽極間加800—1000伏直流電壓，氨氣就會電離，這種氣體經(jīng)電離作用后，產(chǎn)生帶正電的氮陽離子[N+]和帶負(fù)電的陰離子[N-]，形成了一個等離子區(qū)。在等離子區(qū)內(nèi)，氮的正離子在高壓電場加速下，快速沖向陰極，轟擊清洗需氮化的零件表面，將動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽€由于氮離子轉(zhuǎn)變成氮原子時，又放出大量的熱能并發(fā)出很亮的淡紫色光，另外電壓降落在工件附近時也產(chǎn)生熱量，這三種熱量將零件加熱到需要氮化溫度。
      在這種溫度下，氮離子與零件金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氮原子滲入到零件表面并擴(kuò)散到內(nèi)部，形成了氮化層。
輝光離子氮化的特點：
      （1）、表面加熱速度快，可縮短加熱及冷卻時間，到十分之一至十二分之一。而且除處理表面加熱外其余部分均處在低溫(100℃左右)狀態(tài)，既節(jié)約了加熱功率又減少零件的變形。
      （2）、擴(kuò)散過程快，在高壓電場作用下，由于氮化原子的運動速度比氣體氮化快許多倍，滲入速度更快，一般只需要3—10h。
      （3）、氮化層韌性好，具有高抗疲勞和高抗磨性能，氮化層脆性白色ε相(Fe2N)控制在0—0.2mm范圍，從而免去氮化零件的磨削加工。
表面硬度高達(dá)HV900(HRC64)，氮化層深度可掌握在0.09—0.87mm。
      四、各種氮化法的成本分析
1、鹽浴氮化爐結(jié)構(gòu)簡單，價格低，操作工藝很容易掌握，氮化成本也低，但氮化質(zhì)量不高，廢棄物有污染，通常很少采用。
      2、氣體氮化爐構(gòu)復(fù)雜，價格稍高，操作相比而言稍有難度，但氮化質(zhì)量好，可以達(dá)到很深的滲層與較高的硬度，但需要較長的時間，氨氣的用量也很高
      3、離子氮化爐生產(chǎn)制造工藝要求很高，所用材料也很講究，電氣控制技術(shù)含量很高，對操作人員的整體要求高，但氮化質(zhì)量最好，滲入速度快，氮化成本低于氣體氮化，是很好的發(fā)展趨勢。
      以一次性裝爐量在400公斤為例：初步投資別如下
鹽浴氮化爐投資在貳萬元左右
氣體氮化爐在肆萬元左右
離子氮化要在玖萬元左右
達(dá)到同樣的滲層，離子氮化的成本約為氣體氮化的60%（由于鹽浴氮化很難達(dá)到氣體氮化與離子氮化的滲層，所以不能比較它們的運行成本。

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