什么是氮化處理？

2023/05/18

 氮化處理是指一種在一定溫度下，在一定介質中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。經氮化處理的制品具有優異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫的特性。

淡化處理簡介

 傳統的合金鋼料中的鋁、鉻、釩及鉬元素對滲氮甚有幫助。這些元素在滲氮溫度中，與初生態的氮原子接觸時，就生成穩定的氮化物。尤其是鉬元素，不僅作為生成氮化物的元素，也可以作為降低在滲氮溫度時所發生的脆性。

      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%鋁的滲氮結果最佳。針對含鉻的鉻鋼而言，如果有足夠的含量，也可以得到很好的效果。但沒有含合金的碳鋼，因為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（標準滲氮鋼）。

    （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%的鉻） SAE H11 （SKD-61）H12，H13。

   （4）鐵素體及馬氏體系不銹鋼SAE 400系。

    （5）奧氏體系不銹鋼SAE 300系。

   （6）析出硬化型不銹鋼17-4PH，17-7PH，A-286等。

      含鋁的標準滲氮鋼，在氮化后雖可得到很高的硬度及高耐磨的表層，但其硬化層也很脆。相反的，含鉻的低合金鋼硬度較低，但硬化層比較有韌性，其表面也有相當好的耐磨性及耐束性。因此選用材料時，應該注意材料的特征，充分利用其優點來符合零件的功能。至于工具鋼，如H11（SKD61）D2（SKD-11），即有高表面硬度及高心部強度。

      氮化處理的作用是增加鋼件的耐磨性、表面硬度、疲勞極限和抗蝕能力。

技術流程：

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，但在滲氮前的最后加工方法中，如果采用拋光、研磨、磨光等，即可能產生阻礙滲氮的表面層，致使滲氮后，氮化層不均勻或發生彎曲等缺陷。此時應該采用下列兩種方法之一去除表面層。

       第一種方法是在滲氮前首先用氣體去油，然后使用氧化鋁粉將表面做噴砂處理（abrasive cleaning） 。

      第二種方法即將表面加以磷酸皮膜處理（phosphate coating）。

滲氮爐的排除空氣

      將被處理的零件置于滲氮爐中，并將爐蓋密封后即可加熱，但加熱至150℃以前須作爐內排除空氣工作。

      排除爐內空氣的主要作用是防止氨氣分解時與空氣接觸而產生爆炸性氣體，及防止被處理物及支架的表面氧化。其所使用的氣體有氨氣及氮氣二種。

      排除爐內空氣的要領如下：

      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將加熱爐的自動溫度控制設定在150℃并開始加熱（注意爐溫不能高于150℃）。

      ③爐中的空氣排除至10%以下，或排出的氣體含90%以上的NH₃時，再將爐溫升高至滲氮溫度。

氨的分解率

      滲氮是及其他合金元素與初生態的氮接觸而進行，但初生態氮的產生，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氨的分解。

      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。

冷卻

      大部分的工業用滲氮爐均具有熱交換機，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，將加熱電源關閉，使爐溫降低約50℃，然后將氨的流量增加一倍后開始啟開熱交換機。此時需注意觀察接在排氣管上的玻璃瓶中是否有氣泡溢出，以確認爐內的正壓。等候導入爐中的氨氣后，即可減少氨的流量至保持爐中正壓為止。當爐溫下降至150℃以下時，即使用前面所述的排除爐內氣體法，導入空氣或氮氣后方可啟開爐蓋。

      氣體氮化于1923年由德國AFry發現，將工件置于爐內，利用NH₃直接輸進500～550℃的氮化爐內，保持20～100小時，使NH₃分解為原子狀態的氮氣與氫氣，從而進行滲氮處理。使鋼的表面產生耐磨、耐腐蝕的化合物層為主要目的，其厚度約為0.02mm，其性質為Hv1000～1200，極硬又極脆，NH₃的分解率視流量的大小與溫度的高低而有所改變，流量越大則分解度越低，流量越小則分解率越高。溫度越高分解率越高，溫度越低分解率也越低，NH₃氣在570℃時經熱分解如下：

NH₃ →N+ 3/2H₂

      經分解出來的N擴散進入鋼的表面形成，缺點為硬化層薄而氮化處理時間長。

     氣體氮化因為分解NH₃進行滲氮效率低，故一般均固定選用適用于氮化的鋼種，如含有Al、Cr、Mo等氮化元素，否則氮化無法進行，一般使用有JIS、SACM1、新JIS、SACM645及SKD61的強韌化處理，又稱調質。因Al、Cr、Mo等均為提高淬火溫度的元素，故淬火溫度高，回火溫度相較于構造用合金鋼高，在氮化溫度長時間加熱之后，發生回火脆性。故預先施以調質強韌化處理。NH₃氣體氮化，因為時間長表面粗糙，硬而較脆不易研磨，而且時間長不經濟，用于塑膠射出形機的送料管及螺旋桿的氮化。