1，硬氮化：學(xué)名‘滲氮’，也有人稱為常規(guī)氮化。滲入鋼表面的是單一的‘氮’元素，在方法上有氣體法和離子法等。對于結(jié)構(gòu)零件通常選用的鋼種為含鉻、鉬、鈦、鋁等合金元素的專用鋼，也有在其它鋼種上進(jìn)行滲氮的，例如不銹鋼、模具鋼等。滲氮處理的溫度通常在480～540℃范圍（既要保持工件的心部的調(diào)質(zhì)硬度又要使?jié)B氮層的硬度達(dá)到要求值），處理的時間按照要求深度不同，一般為15～70小時，甚至更長。滲氮的著眼點是希望獲得較深厚度（0.1～0.65mm,也有要求更深一些的）具有高硬度的呈彌散狀的合金氮化物層（即擴散層），對于出現(xiàn)外表層的化合物層（白亮層）則希望盡可能的淺簿，甚至希望沒有。  X# @* f# r: N4 k8 X9 T" p
  2，軟氮化：學(xué)名‘氮碳共滲’，早期把蘇聯(lián)（俄羅斯）的液體法翻譯為‘低溫氰化’�，F(xiàn)在國內(nèi)流行的有氣體法、無（低）毒液體法和離子法。滲入鋼表面的元素以‘氮’為主，同時添加了‘碳’。碳的加入使表面化合物層（白亮層）的形成和性能得到某些甚至是明顯的改善。這里要強調(diào)一下，和滲氮不同的地方是：氮碳共滲的著眼點是希望獲得一定厚度（一般為10～20μm，也有要求20μm以上的，目前實驗室里據(jù)稱在碳素鋼上曾經(jīng)達(dá)到的厚度為110μm）硬度高、脆性小、沒有或很少疏松等性能優(yōu)良的白亮層，至于次表面的擴散層，按照鋼種和使用要求不同雖然有時需要作某些調(diào)整，但處于次要地位了。氮碳共滲的適用廣泛，幾乎覆蓋所有常用鋼種和鑄鐵。以碳素鋼為例，按照氮碳共滲處理的溫度分為鐵索體氮碳共滲（520～590℃）和奧氏體氮碳共滲（600～720℃），處理的時間一般為2～6小時，前者獲得的白亮層為鐵氮化合物，后者快冷后在鐵氮化合物層的下面還有一層含氮奧氏體＋馬氏體層（5～12μm）。為了增強和改善白亮層的性能，我國的熱處理工作者還采用了在滲氮的同時又單獨或組合添加硼、氧、硫、稀土等元素，做了大量的工作，并且大都不同程度的取得看得出來的效果。這種探索，至今方興未艾，是熱處理工作者孜孜以求的熱點之一。5 [3 D( Y4 k9 j6 Q9 C7 F, j' B
  3，‘軟氮化’含義不是指獲得的硬度比所謂的‘硬氮化’的硬度低，而是含有簡便、省事、費用低的意思。
  E) f7 d! z" I6 U4 b$ S氮化包括氣體氮化、輝光離子氮化和軟氮化，軟氮化是一種通俗的叫法，嚴(yán)格的講，軟氮化是一種以滲氮為主的低溫氮碳共滲，主要特點是滲速快（2-4h），但滲層薄（一般在0.4以下),滲層梯度陡，硬度并不低，如果是液體氮化，硬度甚至略高于氣體氮化。

氣體氮化可以做到深滲層，它的硬度梯度緩，比軟氮化承受的載荷高，外觀漂亮，缺點是周期長，表面有脆性相，一般要有一道精加工（加工余量很小，一般1絲到2絲）。

輝光離子氮化有氣體氮化的優(yōu)點，在0.4㎜滲層以下，滲速比氣體氮化快的多，而且表面不會有脆性相，可以局部氮化，缺點是成本略高，對形狀復(fù)雜或帶長孔的工件效果不好。

變形方面應(yīng)該是輝光離子氮化變形最小，實際中相差很小，很多時候幾乎一樣。

軟氮化實質(zhì)上是以滲氮為主的低溫氮碳共滲，鋼的氮原子滲入的同時，還有少量的碳原子滲入，其處理結(jié)果與一般氣體氮化相比，滲層硬度較氮化低，脆性較小，故稱為軟氮化。

  1、軟氮化方法分為：氣體軟氮化、液體軟氮化及固體軟氮化三大類。目前國內(nèi)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是氣體軟氮化。氣體軟氮化是在含有活性氮、碳原子的氣氛中進(jìn)行低溫氮、碳共滲，常用的共滲介質(zhì)有尿素、甲酰胺、氨氣和三乙醇胺，它們在軟氮化溫度下發(fā)生熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生活性氮、碳原子。

活性氮、碳原子被工件表面吸收，通過擴散滲入工件表層，從而獲得以氮為主的氮碳共滲層。

氣體軟氮化溫度常用560-570℃，因該溫度下氮化層硬度值最高。氮化時間常為2-3小時，因為超過2.5小時，隨時間延長，氮化層深度增加很慢。

  2、軟氮化層組織和軟氮化特點：鋼經(jīng)軟氮化后，表面最外層可獲得幾微米至幾十微米的白亮層，它是由ε相、γ`相和含氮的滲碳體Fe3（C，N）所組成，次層為的擴散層，它主要是由γ`相和ε相組成。 軟氮化具有以下特點：

  (1)、處理溫度低，時間短，工件變形小。

  3、能顯著地提高工件的疲勞強度、耐磨性和耐腐蝕性。在干摩擦條件下還具有抗擦傷和抗咬合等性能。

  4、由于軟氮化層不存在脆性ξ相，故氮化層硬而具有一定的韌性，不容易剝落。

  因此，目前生產(chǎn)中軟氮化巳廣泛應(yīng)用于模具、量具、刀具（如：高速鋼刀具）等、曲軸、齒輪、氣缸套、機械結(jié)構(gòu)件等耐磨工件的處理。

與滲氮區(qū)別主要是：

1.在一定溫度下向試件表面滲入氮、碳，以滲氮為主，但非單純滲氮。

2.處理時間比氮化短。

3.其表面白層相比滲氮白層而言脆性要小。

4.軟氮化應(yīng)用的材料比較廣泛。

5軟氮化比普通氮化周期短，溫度略低，因此變形更小，但硬度和氮化層厚度略差，且氣體軟氮化無毒

  氮化處理又稱為擴散滲氮。氣體滲氮在1923年左右，由德國人Fry首度研究發(fā)展并加以工業(yè)化。由於經(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)用范圍逐漸擴大。例如鉆頭、螺絲攻、擠壓模、壓鑄模、鍜壓機用鍜造模、螺桿、連桿、曲軸、吸氣及排氣活門及齒輪凸輪等均有使用。

一、氮化用鋼簡介

    傳統(tǒng)的合金鋼料中之鋁、鉻、釩及鉬元素對滲氮甚有幫助。這些元素在滲氮溫度中，與初生態(tài)的氮原子接觸時，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所發(fā)生的脆性。其他合金鋼中的元素，如鎳、銅、硅、錳等，對滲氮特性并無多大的幫助。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�心性。因此選用材料時，宜注意材料之特徵，充分利用其優(yōu)點，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度。  

二、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。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氣二種。

    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，開始通無水氨氣，其流量盡量可能多。

  （2）將加熱爐之自動溫度控制設(shè)定在150℃并開始加熱（注意爐溫不能高於150℃）。

  （3）爐中之空氣排除至10％以下，或排出之氣體含90％以上之NH3時，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，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始啟開熱交換機。此時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)�入爐中的氨氣安定后，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，即使用前面所述之排除爐內(nèi)氣體法，導(dǎo)入空氣或氮氣后方可啟開爐蓋。

三、氣體氮化技術(shù)：

    氣體氮化系於1923年由德國AF ry 所發(fā)表，將工件置於爐內(nèi)，利NH3氣直接輸進(jìn)500～550℃的氮化爐內(nèi)，保持20～100小時，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℃時經(jīng)熱分解如下：

      NH3 →〔N〕Fe + 2/3 H2

經(jīng)分解出來的N，隨而擴散進(jìn)入鋼的表面形成。相的Fe2 - 3N氣體滲氮，一般缺點為硬化層薄而氮化處理時間長。

    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於氮化之鋼種，如含有Al，Cr，Mo等氮化元素，否則氮化幾無法進(jìn)行，一般使用有JIS、SACM1新JIS、SACM645及SKD61以強韌化處理又稱調(diào)質(zhì)因Al，Cr，Mo等皆為提高變態(tài)點溫度之元素，故淬火溫度高，回火溫度亦較普通之構(gòu)造用合金鋼高，此乃在氮化溫度長時間加熱之間，發(fā)生回火脆性，故預(yù)先施以調(diào)質(zhì)強韌化處理。NH3氣體氮化，因為時間長表面粗糙，硬而較脆不易研磨，而且時間長不經(jīng)濟，用於塑膠射出形機的送料管及螺旋桿的氮化。

四、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，Fe4Nr相存在而不含Fe2Nξ相氮化物，ξ相化合物硬脆在氮化處理上是不良於韌性的氮化物，液體軟氮化的方法是將被處理工件，先除銹，脫脂，預(yù)熱后再置於氮化坩堝內(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，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及擴散層，氮原子擴散入α – Fe基地中使鋼件更具耐疲勞性，氮化期間由於CNO之分解消耗，所以不斷要在6～8小時處理中化驗鹽劑成份，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。

    液體軟氮化適用於耐磨及耐疲勞等汽車零件，縫衣機、照相機等如氣缸套處理，氣門閥處理、活塞筒處理及不易變形的模具處。采用液體軟氮化的國家，西歐各國、美國、蘇俄、日本、臺灣。

五、離子氮化技術(shù)：

    此一方法為將一工件放置於氮化爐內(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，將爐體接上陽極，工件接上陰極，兩極間通以數(shù)百伏之直流電壓，此時爐內(nèi)之N2氣體則發(fā)生光輝放電成正離子，向工作表面移動，在瞬間陰極電壓急劇下降，使正離子以高速沖向陰極表面，將動能轉(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氣，但若添加碳化氫系氣體則可作離子軟氮化處理，但一般統(tǒng)稱離子氮化處理，工件表面氮氣濃度可改變爐內(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，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)，此化合物層強韌而非多孔質(zhì)層，不易脫落，由於氮化鐵不斷的被工件吸附并擴散至內(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使其變成ε相之化合物層與擴散層，由於擴散層的增加對疲勞強度的增加有很多助。而蝕性以ε相最佳。

    離子氮化處理的度可從350℃開始，由於考慮到材質(zhì)及其相關(guān)機械性質(zhì)的選用處理時間可由數(shù)分鐘以致於長時間的處理，本法與過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，過去認(rèn)為難處理的不銹鋼、鈦、鈷等材料也能簡單的施以優(yōu)秀的表面硬化處。

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    軟氮化實質(zhì)上是以滲氮為主的低溫碳氮共滲，鋼的氮原子滲及的同時，還有少量的碳原子滲入，其處理結(jié)果與前述一般氣體氮相比，滲層硬度較低，脆性較小，故稱為軟氮化。

1.軟氮化方法，軟氮化方法分為氣體軟氮化和液體軟氮化兩大類。目前國內(nèi)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是氣體軟氮化。<,br>氣體軟氮化是在含有活性碳、氮原子的氣氛中進(jìn)行低溫碳、氮共滲，常用的共滲介質(zhì)有尿素、甲酰胺和三乙醇胺，它們在軟氮化溫度下發(fā)生熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生活性碳、氮原子。

活性碳、氮原子被工件表面吸收，通過擴散滲入工件表層，從而獲得以氮為主的碳氮共滲層。

氣體軟氮化溫度常用560-570℃，因該溫度下氮化層硬度值最高。氮化時間常為2-3小時，因為超過2.5小時，隨時間延長，氮化層深度增加很慢。

2.軟氮化層組織和軟氮化特點：鋼經(jīng)軟氮化后，表面最外層可獲得幾微米至幾十微米的白層，它是由ε相、γ`相和含氮的滲碳體Fe3（C，N）所組成，次層為0。3-0。4毫米的擴散層，它主要是由γ`相和ε相組成。

軟氮化具有以下特點：

(1)處理溫度低，時間短，工件變形小。

(2)不受鋼種限制，碳鋼、低合金鋼、工模具鋼、不銹鋼、鑄鐵及鐵基粉未冶金材料均可進(jìn)行軟氮化處理。工件經(jīng)軟氮化后的表面硬度與氮化工藝及材料有關(guān)。

3.能顯著地提高工件的疲勞極限、耐磨性和耐腐蝕性。在干摩擦條件下還具有抗擦傷和抗咬合等性能。

4.由于軟氮化層不存在脆性ξ相，故氮化層硬而具有一定的韌性，不容易剝落。

因此，目前生產(chǎn)中軟氮化巳廣泛應(yīng)用于模具、量具、高速鋼刀具、曲軸、齒輪、氣缸套等耐磨工件的處理。

應(yīng)注意的是，氣體軟氮化目前存在問題是表層中鐵氮化合物層厚度較�。�0.01-0.02mm），且氮化層硬度梯度較陡，故不宜在重載條件下工作。另外，在氮化過程中，爐中會產(chǎn)生HCN這種有毒氣體，因此生產(chǎn)中要注意設(shè)備的密封，以免爐氣漏出污染環(huán)境。