气体软氮化.pdf

15日出版国外金属加工2001目前，应该重新认识到:通过节省资源、节能、摩擦学方法，热处理及表面改性技术能够成为对环保作出较大贡献的技术。众多机械零部件的寿命由滑动部份的磨耗所决定。据报导，由于机械零件的磨耗而损失的价值，每年多达数兆日元。而为了解决摩擦、磨耗问题，很早以来。开发了各种表面硬化技术、表面改性技术。以往，表面改性技术基本上是渗碳(含渗碳氮化)，氮化不足渗碳的10%，不过渗碳比氮化的热处理变形大，究其原因是该工艺能在短时间内硬化到一定深度。但是，最近迫切要求采用低变形的热处理工艺。在重新评价改进的氮化工艺时，首先应该从去掉氮化是高价处理的这样一种老观念开始，氮化比渗碳的处理温度低，并且，无需回火，从而前者能源成本是后者的一半以下。此外，通过气体冷却取代油冷却方式，可省略后续洗净工序，洗涤成本也是后者的一半以下，故氮化并非以往所说的高价处理工艺。本文叙述氮化工艺中批量生产性好、无公害的气体软氮化。图1现在实施的改性技术的分类。氮化、等离子氮化、渗硫氮化，氧氮化等。氮化处理的特征有:由于都是在铁素体领域进行处理，如在前处理阶段充分除去应力，随处理而发生的变形是规则的，并且易于矫正。

作为对需要高精度的机械零件及工具改善其耐久性处理是极其有效的工艺。关于耐磨性，耐烧接性，由于表面附近生成的化合物层有非金属的物性，配对的摩擦材料之间不易引起粘合及熔敷，表面附近产生残余压缩应力提高了疲劳强度;另外，表面的致密化合物层的存在，由于阻碍与氮化性气氛的直接接触，也有改善耐蚀性等众多特点。图2表示与Fe的表面改性有关的主要元素的关系。表是目前正在卖施的主要氮化法比较。氮化种类目前，实用的氮化表面热处理中，除了很早进行的气体氮化之外，有盐浴氮化、气体软气体氮化与气体软氮化对于需要较高强度、精度的零件，往往采用气体氮化替代渗碳，从而使用氮化钢材(SACM645)及模具钢(SKL巧1)等高级材料的实例多。而气体软氮化多数使用碳素钢等低级材料，表2是气体氮化与气体软氮化的特性比较。最近，以汽车厂家与机床厂家为中心，要求开发满足表面硬度HV700一800，内部硬度HV200一300，处理时间5一10的氮化工艺，并且要求开发可供使用的材料(以扮或SCM基体的快速氮化钢)。图表示各种处理的强度与热处理变形的位置关系。各种氮化法比较分类硬化层表面硬度(HV)氮化剂氮化温度优点卫缺点气体氮化化合物层最大30扩散层最大0.6高合金钢1000氨气520一530550一590高硬度、耐磨性好，疲劳强度高需研磨除去理，需专用钢盐浴氮化化合物层最大40扩散层最大0.4碳素钢400一60合金钢60一1200CNCN(〕盐550一580短时间，耐烧接，疲劳强度高、可适应于所有钢材处理，设备专用少，可适应任何形状工件处理对于排水处理需除去CN-气体软氮化化合物层最大40扩散层最大0.4同上RX气体550一600耐磨性、耐烧接性好，疲劳强度高，耐蚀性好，无需水处理对策设备费高，不适宜于奥处理等离子体氮化化合物层最大1.0扩散层最大0.4碳素钢400一60合金钢600一1200350一600氮化性好，可设定宽条件，化合层好小，不能从氮化温度下急冷，难以批量生产碳氮化化合物层最大20扩散层最大0.4碳素钢400一600合金钢600一1200硫化物一156()一570烧接性好，其它特性与盐浴软氮化相同需排水处理设气体渗硫氮化化合物层最大20扩散层最大0.5碳素钢40一70合金钢700一1200NH3，COZNZ，X一620耐磨性，耐烧接性，耐卡位性好，疲劳强度SVS氮化需要供给渗硫气体设备，需排气设备气体氮化与气体软氮化的比较氮化法气体氮化气体软氮化材质高级钢SACM，sKH，SKI〕，以二M，SUI〕低级钢SPC，碳素钢，铸铁，51，KM要求的组织扩散展AI、Cr的化合物(R月一N，Fe一Cr一N)化合物Fe与N的化合物(Fe3N，Fe4N)硬化层深度IIV700一12001抓科00一700处理时间90一150min用途少量产品:模具、驱动轴、喷射涡轮、凸轮批量产品:(认零件汽车零件缝纫机零洲22CO为主要成份的吸热反应型变成气体(RX气)的混合气氛中，于铁一氮状态图的AI相变点以下的500一60温度下，将工件加热90一180min，从表面渗入氮与碳的方法，这时，零件表面产生如下反应:气体:ZN玩一3践+ZNRX气体:ZCC卜补〔玖组成的铁碳氮化物，其内部形成0.3一1.Omxn的氮扩散层。

Fe表面改性相关的主要元素1.2氮基体法按照N玩、NZ，NHj、〔艾沁的组合，氮基体法分:中温渗碳氮化种方法，主要反应是图4所示的情形，在零件表面上，由N比分解形成的氮化反应:ZN玩~ZN副反应则是从少量添加(通常为全部气体流量的3%一5%)Cq水化反应，以及由于产生的(X〕形成的布德奥反应气体软氮化种类注意事项及应用ZNH3~NZ+H2气体软氮化是196年就已在GM公司的汽车零件中实际应用的热处理技术，当时在大批量生产方面存在生产率、质量稳定性等诸多问题，但现在已基本上解决了这些问题，可认为是无公害、省力、易于质量管理的工艺。日本各厂家拥有分批生产型、少量型、或连续型的气体软氮化工艺正在应用中。十RX)法最初开发的气体软氮化是，在以N凡利用N玩氮化的机理由于添加Cq，不使用RX气体也可渗碳，此外，通过反应除去吸附于工件表面的、妨碍氮化的元素姚，以促进氮化反应。1.3氧氮化法如表3所示，氧氮化有在氮化气体中添加，使氮化层中存在氧化物的添加氧气法，以及氮化后的表面生成氮化物的复合处理法。典型的氧氮化方法氧氮化氧气法!复合处理法〔R(释月skj法(NH3+5%城0日产NN法(NHj十2%一5%儿)小川加压氮化法(NH3加压、氮化后同质处理)奈特罗特克法(软氮化后，瞬间氮化)添加践0本方法是为高速钢的氮化而开发的工艺，目前，取代了TIN膜的PvD工艺。

添加空气的NN本方法是日产汽车公司中央研究所开发的工艺，在NH3中添加2%一5%(碳素钢时为2%;低合金钢时5%)的空气，于50一600(一般为570)下处理300一180min。反应式为:ZNH3一3玫ZN4NH3+3q42N利用微量的q促进了N玩分解，增加游离的，能在工件表面得到有效的氮化层。其中，利用添加的q与气氛中的氏可反复进行氧化与还原，促进零件表面的晶格应变氮化反应。小川加压氮化法本法使NH3达到7掩左mZ压力，引人氮化炉内，与520下氮化后，排出炉内的N玩，然后送人小蒸汽，于520下，加热30min，使工件表面氧化。Lu公司的奈特罗特克法本法于0一720下进行气体软氮化后，瞬间使工件表面氧化，从而进行软氮化与氧化的复合处 定量且连续地向炉内投人尿素，利用尿素(C()(NHZ 的热分解形成氮化气氛的处理方法 尿素的融点为132，从这一温度引起脱除氨 的现象。尿素 一热分解，就产生游离的 ，因此，这是气体软氮化中一种氮化能力强的方法，也是简易有效的方法。但是，因为气 体组成要固定化，从而，存在难以控制氮的浓 度的缺点。 3.2 机理 所谓气体氮化(含气体软氮化) ，是使如前 述的游离的氮扩散到钢中，随淬火而使钢材表 面硬化的方法。

如图5、6 示，氮化温度下的氮 的固溶限度0.1%以下，表面氮浓度如超过0. 1%，可形成 r’相(F灿N)，尤其是表面氮浓度 如超过6%，则形成 。相(凡3N) ，由于r’相是 fCC结构(面心立方晶格) ，。相是cP 结构(密排立方晶格) ，r，相一。相转变中，需要一定时 间，因此，实际上存在 r‘相与。相的混合组织。 用光学显微镜观察，r，相、。相都在硝酸乙醇等 腐蚀性溶液中不产生腐蚀，呈现白色，称为白 层或化合物层。随着进一步氮化，表面的氮浓 度如超过 乏韧性，从而应该避免生成5相。随着化合物 层的生成，氮进一步扩散到钢中，钢中的氮与 亲和力强的川、Cr 、Ti 、V、Mo 等元素反应形成 氮化物，由于化合物的应变硬化，使化合物层 及扩散层硬化。图7 是比较氮化与氧化的表 面断面组织。可知氮化与氧化是非常类似的 反应过程。关于氮化的文献少，有关氧化的文 献多，进行氮化研究时首先应参考这类文献。 3.3 效果 在钢铁材料制成的机械零部件上施行氮 化处理的主要目的，是提高所谓的耐久性，特 别是改善运动机械性质，提高其耐磨性或疲劳 强度。图8表示氮化层中各组织的特性与效 是减轻材料损耗的主要原因。

换言之，从改善耐磨性的观点，对氮化层可以有两种评价，其 一是由于氮化而生成硬化层，另外，生成具有 非金属物性的。相(残 一3N) ，r‘相(Fo N)等化 F倪02(hematite Fo04 (magllet ite) Feo (wu st ite) Fe (a)氮化组织(b)凡氧化层 二元相图90 706O 5060 70 温度 NH3一践混合比与Fe 耐磨擦性、耐磨耗性称为所谓氮化钢中含有Al 、Cr 、Ti 、V、Mo 等合金元素的机械结构钢，或者模具钢、不锈 钢等高铬系的合金钢等，通过施行氮化处理， 表面硬度HV100 或以上，对于提高耐磨性产 生有效作用。另外，如碳素钢及低合金钢，通 过氮化不一定都能获得上述那样的高硬度，在 表面生成低合物层( ，由于抑制存在摩擦、磨耗的配对材料之间生产的粘合烧接，这 表示气体软氮化及渗碳淬火工艺处理工件的烧接试验的结果。 耐疲劳性多数情形下，由于材质疲劳引起的破坏是 最大拉伸应力反复作用的表现上发生龟裂，其 龟裂传播所引起的。通常，利用氮化提高疲劳 强度可考虑是因氮扩散层发挥作用的结果。 因此，即使是早期的疲劳破坏，扩散层的硬度 与深度是重要的。扩散层深度随处理时间而 增加，从而设定适当的处理条件是重要的，根