氣體氮化與軟氮化原理淺析及區(qū)別

史楠楠

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

氣體氮化與軟氮化原理淺析及區(qū)別

史楠楠

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

本文介紹了氣體氮化和軟氮化的原理，氣體氮化的兩種方式和相應(yīng)的工藝，針對(duì)不同的功用選擇不同氮化方法，并對(duì)軟氮化的幾種處理方式進(jìn)行淺析。根據(jù)產(chǎn)品的要求、功能、設(shè)備等因素來(lái)選擇合理的氮化處理方式。

氮化；軟氮化；氮碳共滲

近年來(lái)，我國(guó)的工程機(jī)械制造得到了飛速發(fā)展，無(wú)論對(duì)零件技術(shù)要求還是零件質(zhì)量都基本滿足日益提高的要求。尤其在熱處理方面，大多數(shù)情況下，鋼制機(jī)械的零部件要求耐磨性、耐疲勞性、耐腐蝕性、耐咬合性等性能，通常為了滿足這些性能，廣泛采用表面硬化的方法。

1 氣體氮化原理

氮化是應(yīng)用廣泛的一種表面熱處理工藝之一，它的過(guò)程是把鋼鐵零件放在加熱至一定溫度的密封容器中，通過(guò)流動(dòng)的氨氣，保持適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，使氨熱分解所產(chǎn)生的活性氮原子，滲入到鋼鐵零件的表層，從而獲得一種含氮的組織。這種方法被稱為“氣體氮化”或俗稱“硬氮化”。由于零件經(jīng)過(guò)氮化處理后，具有高的表面硬度和耐磨性，良好的抗腐蝕性，能增加疲勞強(qiáng)度，且變形小等優(yōu)點(diǎn)，因此，早就在工業(yè)生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。

例如氮化鋼38CrMoAl在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下氮化后的表面硬度可達(dá)洛氏硬度HRC68-72，很高的硬度，耐磨性好，可獲得大大超過(guò)了滲碳的表面硬度，具有良好的淬透性，加入鉬后，抑制了材料的第二類回火脆性。心部具有一定的強(qiáng)韌性，而廣泛用于主軸、螺桿、非重載齒輪、氣缸筒等需要高硬度、高耐磨而又沖擊不大的零件［1］。由于Al的加入，在冶煉過(guò)程中易形成非金屬夾雜物，有過(guò)熱敏感型，滲氮層表面脆性傾向大。近年來(lái)無(wú)Al滲氮鋼的應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)表面硬度要求不是很高而需較高的心部韌性的零件，可選用40Cr、40CrVA、35CrMo、42CrMo等材料。對(duì)工作在循環(huán)彎曲或是接觸應(yīng)力較大條件下的重載零件，可選用18Cr2Ni4WA、20CrMnNi3MoV、25Cr2MoVA、38CrNiMoA、30Cr3Mo、38CrNiMoVA等 材 料［2］。曲軸及缸套可選用球墨鑄鐵或合金鑄鐵材料。所以被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)部門。

通常，按照零件處理的不同要求，氣體氮化也可以有耐腐蝕和耐磨兩種氮化。碳鋼、合金鋼以及鑄鐵零件，若其主要目的是為了提高耐腐蝕的性能，一般采用600～780 ℃溫度范圍，氨分解率控制在35%～70%，保溫時(shí)間為0.5～3 h，此種氮化法與抗磨氮化相比，雖然生產(chǎn)周期比較短，但是整個(gè)氮化過(guò)程仍然需要十幾個(gè)小時(shí)以上。若主要目的是為了提高合金鋼的表面耐磨性，則可以進(jìn)行耐磨氮化。這種氮化法，只是對(duì)含有強(qiáng)烈形成氮化物元素的特種氮化鋼，如38 CrMoAl才能得到很高的硬度。

其工藝有等溫氮化和分段氮化。等溫氮化也稱一段氮化法，采用480～520 ℃溫度范圍，氮化時(shí)間在40～100 h，氨分解率控制在15%～50%之間，這樣的優(yōu)點(diǎn)是能獲得很高的表面硬度以及很小的變形量。

分段氮化有兩段發(fā)和三段氮化法，一般第一階段氮化溫度采用500～520 ℃（氨分解率18%～25%），時(shí)間為15～20 h；第二階段氮化溫度會(huì)增加至550～570 ℃，氨分解率40%～65%，時(shí)間為20～30 h，第三階段氮化溫度降至520～530 ℃，氨分解率30%～40%，時(shí)間為10～20 h。［3］總之，根據(jù)零件的具體要求，來(lái)選擇最適合零件的氮化工藝。

使用最多的滲氮介質(zhì)是氨氣，在滲氮溫度是，氨是壓穩(wěn)定的，他發(fā)生如下的分解反應(yīng)［4］。

當(dāng)活性氮原子遇到鐵原子時(shí)則發(fā)生如下反應(yīng)

2 軟氮化原理

在工件表面同時(shí)深入氮、碳元素，且以滲氮為主的工藝方法，就是在Fe—N系的共析溫度以下530～570 ℃，進(jìn)行氮碳共滲的過(guò)程，俗稱軟氮化。

其共滲機(jī)理與滲氮相似，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，表面氮濃度不斷的增加，發(fā)生反應(yīng)擴(kuò)散，形成白亮層及擴(kuò)散層。氮碳共滲使用的介質(zhì)必須能在工藝溫度下分解出活性N、C原子。

軟氮化的過(guò)程與其他化學(xué)熱處理如滲碳和氮化法一樣，可分為三個(gè)階段：

（1）軟氮化介質(zhì)的分解，產(chǎn)生活性碳原子和活性氮原子。

（2）分解出來(lái)的活性碳、氮原子被鋼鐵表層吸收，并且達(dá)到飽和狀態(tài)。

（3）鋼的表面層飽和的氮向內(nèi)層深處擴(kuò)散。

近幾年來(lái)，已經(jīng)發(fā)展提出并且現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的軟氮化的方法有很多：

（1）氰鹽鹽浴的化學(xué)反應(yīng)：

使用氰化鹽為主要原料，通入空氣或者氧氣，氧化成一定濃度的氰酸鹽進(jìn)行軟氮化反應(yīng)：

2NaCHO + O2→ 2NaCNO

2NaCNO+O2→Na2CO3+CO+2［N］

其中CO繼續(xù)分解：

2CO → ［C］ + CO2

（2）尿素+碳酸鹽軟氮化的化學(xué)反應(yīng)：

2（NH2）2CO+Na2CO3→2NaCHO+2NH3+CO2+H2O

2NH3→2N+3H2

2CO → ［C］ + CO2

（3）吸熱型氣氛+氨的化學(xué)反應(yīng)：

2NH3→2N+3H2

2CO → ［C］ + CO2

國(guó)外用吸熱式的氣氛比較多。

（4）甲酰胺熱分解的化學(xué)反應(yīng)：

甲酰胺在400～700 ℃溫度范圍內(nèi)，按下列反應(yīng)進(jìn)行：

HCONH2→NH3+CO

HCONH2→ H2O + HCN

2NH3→2N+3H2

2HCN → 2［N］ + H2+ 2［C］

2CO→C+CO2

（5）尿素?zé)岱纸獾幕瘜W(xué)反應(yīng)：

將尿素加熱到熔點(diǎn)127 ℃時(shí)，即分解，在不同的溫度范圍，其分解的產(chǎn)物也不同。在500 ℃以上的爐膛內(nèi)，尿素?zé)岱纸夥磻?yīng)比較完全，其反應(yīng)：

CO（NH2）2→CO+2H2+2［N］

2CO → CO2+ ［C］

綜合上訴所有的反應(yīng)式來(lái)看，盡管使用的軟氮化介質(zhì)不同，反應(yīng)的結(jié)果都產(chǎn)生活性碳原子和活性氮原子，從而達(dá)到軟氮化的目的。

3 氣體氮化與軟氮化的主要區(qū)別

（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）氣體氮化（耐磨氮化）適用于特殊的氮化鋼，而軟氮化不只限于特殊氮化鋼。碳鋼、合金鋼、鑄鐵、粉末冶金裁量均適用。

（3）軟氮化時(shí)間比較短。軟氮化與硬氮化來(lái)比較，最大的特點(diǎn)是除了氮化以外，還有一定的滲碳作用。氮化時(shí)鋼的表面首先被碳飽和，在α-Fe中生成超顯微組織的碳化物，這種碳化物能作為氮化的媒介而促進(jìn)氮化，因此，軟氮化的時(shí)間比氣體氮化的時(shí)間大大縮短。

（4）軟氮化比普通氮化溫度略低，因此變形更小，但硬度和氮化層厚度略差，且氣體軟氮化無(wú)毒。

（5）氮化和軟氮化兩者都會(huì)形成ε相的白亮層。對(duì)于氮化來(lái)說(shuō)，這個(gè)白亮層常常有Fe2N脆性相存在，裂紋敏感性大，應(yīng)該盡量避免，而在應(yīng)用中，也是要把此白亮層磨去后在使用，尤其是功能使用面。而軟氮化的白亮層具有很好的韌性，裂紋敏感性比較小，使用時(shí)是靠白亮層來(lái)起作用的。

4 總結(jié)

根據(jù)產(chǎn)品的功能要求以及設(shè)備情況，選擇合理合適的氮化工藝，從而提高產(chǎn)品的性能。

［1］ 上海市機(jī)械制造工藝研究所，氣體軟氮化［M］.機(jī)械工業(yè)出版社.

［2］ 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì)，熱處理手冊(cè)工藝基礎(chǔ)4版［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.1，344頁(yè).

［3］ 烏曼斯基，金屬學(xué)物理基礎(chǔ)［M］.

［4］ 太菲舍. 鋼鐵材料熱處理滲氮和氮碳共滲［M］，聯(lián)邦德國(guó).

Principle and distinction of gas nitriding and soft nitriding

TG156

1009-797X （2015） 20-0057-03

A DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.20.007

史楠楠（1984-），女，畢業(yè)于江南大學(xué)，本科學(xué)歷，初級(jí)工程師，研究方向?yàn)闅怏w軟氮化。

2015-09-15