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一、氮化的机理
氮化是将工件放入大量活性氮原子的介拦樱质中，在一定温度与压力下，把氮原子渗入钢件表面，形成富氮硬化层的热处理。
二、氮化的作用
1、氮化能使零件表面有更高的硬度和耐磨性。例如用38CrMoAlA钢制作的零件经氮化处理后表面的硬度可达HV=950—1200，相当于HRC=65—72，而且氮化后的高强度和高耐磨性保持到500—600℃，不会发生显著的改变。
2、能提高抗疲劳能力。由于氮化层内形成了更大的压应力，因此在交变载荷作用下，零件表现出具有更高的疲劳极限和较低的缺口敏感性，氮化后工件的疲劳极限可提高15—35%。
3、提高工件抗腐蚀能力，由于氮化使工件表面形成一层致密的、化学稳定性较高的ε相层，在水蒸气中及碱性溶液中具有高的抗腐蚀性，此种氮化法又简单又经济，可以代替镀锌、发蓝，以及其它化学镀层处理。此外，有些模具经过氮化，不但可以提高耐磨性和抗腐性，还能减少模具与零件的粘合现象，延长模具的工作寿命。
二、氮化的实现方法
1、气体氮化
以提高硬度和耐磨性的氮化通常渗氮温度为500—520℃。停留时间取决于渗氮层所需要的厚度，一般以0.01mm/h计算。因此为获得0.25—0.65mm的厚度，所需要的时间约为20—60h。提高渗氮温度，虽然可以加速渗氮过程，但会使氮化物聚集、粗化，从而使零件表面层的硬度降低。
对于提高硬度和耐磨性的氮化，在氮化时必须采用含Mo、A、V等元素的合金钢，如38CrMoAlA、38CrMoAA等钢。这些钢经氮很后，在氮化层中含有各种合金氮化物，如：AlN、CrN、MoN、VN等。这些氮化物具有很高的硬度和稳定性，并且均匀弥散地分布于钢中，使钢的氮化层具有很高的硬度和耐磨性。Cr还能提高钢的淬透掘衡梁性，使大型零件在氮化前调质时能得到均匀的机械性能。Mo还能细化晶粒，并降低钢的第二类回火脆性。如果用普通碳钢，在氮化层中形成纯氮化铁，当加热到较高温度时，易于分解聚集粗化，不能获得高硬度和高耐磨性。
抗腐蚀氮化温度一般在600—700℃之间，分解率大致在40—70%范围，停留时间由15分钟到4小时不等，深度一般不超过0.05m m。对于抗腐蚀的氮化用钢，可应用任何钢种，都能获得良好的效果。
2、液体氮化
液体氮化它是一种较新的化学热处理工艺，温度不超过570℃，处理时间短，仅1—3h；而且不要专用钢材，试验表明：40Cr经液体氮化处理比一般淬火回火后的抗磨能力提高50％；铸铁经液体氮化处理其抗磨能力提高更多。不仅如此，实践证明：经过液体氮化处理的零件，在耐疲劳性、耐腐蚀性等方面都有不同程度的提高；高速钢刀具经液体氮化处理，一般能提高使用寿命20—200%；3Cr2W8V压铸模经液体氮化处理后，可提高使用寿命3—5倍。液体氮化表层硬而不脆，并且具有一定的韧性，不容易发生剥落现象。
但是，液体氮化也有缺点：如它的氮化表层中的氮铁化合物层厚度比较薄，仅仅只有0.01—0.02mm。国外多采用氰化盐作原料液体氮化，国内已改用无毒原料液体氮化。我国无毒液体氮化的配方是：尿素40%，碳酸钠30%、氯化钾20%，氢氧化钾10%(混合盐溶点为340℃左右)。液体氮化虽然有很多优点，但由于溶盐反应有毒性，影响操作人员身体健康，废盐也不好处理。因此，与用越来越受到限制。
3、离子氮化
离子氮化又叫“辉光离子氮化”是最近起来的一种热处理工艺，它具有生产周期短，零件表面硬度高，能控制氮化层脆性等优判运点。因而，近几年来国内发展迅速，使用范围很广。
辉光离子氮化的基本原理：
辉光离子氮化是将零件放到离子氮化的真空室内，氮化的零件接高压直流电源的阴极(负极)，电炉外壳接直流高压电源的阳极(正极)，当向真空容器内充入氨气，但容器内压强保持200-1000PA之间，在阴极和阳极间加800—1000伏直流电压，氨气就会电离，这种气体经电离作用后，产生带正电的氮阳离子[N+]和带负电的阴离子[N-]，形成了一个等离子区。在等离子区内，氮的正离子在高压电场加速下，快速冲向阴极，轰击清洗需氮化的零件表面，将动能转变为热能，还由于氮离子转变成氮原子时，又放出大量的热能并发出很亮的淡紫色光，另外电压降落在工件附近时也产生热量，这三种热量将零件加热到需要氮化温度。
在这种温度下，氮离子与零件金属表面发生化学反应，氮原子渗入到零件表面并扩散到内部，形成了氮化层。
辉光离子氮化的特点：
（1）、表面加热速度快，可缩短加热及冷却时间，到十分之一至十二分之一。而且除处理表面加热外其余部分均处在低温(100℃左右)状态，既节约了加热功率又减少零件的变形。
（2）、扩散过程快，在高压电场作用下，由于氮化原子的运动速度比气体氮化快许多倍，渗入速度更快，一般只需要3—10h。
（3）、氮化层韧性好，具有高抗疲劳和高抗磨性能，氮化层脆性白色ε相(Fe2N)控制在0—0.2mm范围，从而免去氮化零件的磨削加工。
表面硬度高达HV900(HRC64)，氮化层深度可掌握在0.09—0.87mm。
四、各种氮化法的成本分析
1、盐浴氮化炉结构简单，价格低，操作工艺很容易掌握，氮化成本也低，但氮化质量不高，废弃物有污染，通常很少采用。
2、气体氮化炉构复杂，价格稍高，操作相比而言稍有难度，但氮化质量好，可以达到很深的渗层与较高的硬度，但需要较长的时间，氨气的用量也很高
3、离子氮化炉生产制造工艺要求很高，所用材料也很讲究，电气控制技术含量很高，对操作人员的整体要求高，但氮化质量最好，渗入速度快，氮化成本低于气体氮化，是很好的发展趋势。
盐浴氮化炉投资在贰万元左右
气体氮化炉在肆万元左右
离子氮化要在玖万元左右
达到同样的渗层，离子氮化的成本约为气体氮化的60%（由于盐浴氮化很难达到气体氮化与离子氮化的渗层，所以不能比较它们的运行成本）
快速深层氮化处理工艺（专利号：.6 ） ， 强化氮化处理工艺（专利号：.8），离子氮化件沉淀强化处理工艺（专利号：.7）等 .
专业承接：碳钢，合金钢，工模具钢，不锈钢，高速钢，铸铁及粉末冶金等金属零件的等离子氮化处理。
等离子氮化简介：
离子氮化是由法国人B.Berghaius于1932年发明的。目前我国在离子渗氮的某些理论和技术方面己处于世界领先水平。该技术是在0.1-10TOrr的含氮气氛中进行，以炉体为阳极，被处理工件为阴极，在阴阳极间加数百伏的高压直流。由于辉光放电会产生象霓红灯一样的辉光覆盖于被处理工件表面使其加热升温，同时依靠阴极溅射及离子化作用等进行表面氮化强化处理.
有效地去除金属表面钝化膜，在工件表面生成硬化、防护层，能显著提高零部件的表面硬度，增强磨损抗力和抗咬合力，提高疲劳强度和抗腐蚀性能，从而提高零部件、工模具的质量，延长使用寿命，获得明显经济效益。
一、技术先进
1﹑等离子渗氮：可获得高韧性的γ′相（白亮层）或无白亮层的氮化物层，具有良好的耐磨性，耐腐蚀性能和高的疲劳强度。
2﹑等离子氮碳共渗（离子软氮化）和离子氧氮碳共渗:时间短，效益高，能获得ε相为主的耐磨，抗擦伤的白亮层，特别适合碳素钢和铸铁零件。
3﹑等离子硫碳氮共渗：时间短，效益高，可灵活控制化合物层，获得多种类型的渗层，笑伏腔有很厚的ε相，白亮层，有自润滑作用的FeS层，具有极小的摩擦系数。
二、性能有优良
1﹑环保节能
由于离子氮化是利用辉光放电直接进行加热，不是依靠化学反应作用，而是利用离子化了的含氮气体进行氮化处理，且可获得均匀的温度，与间接的加热方式相比效率可提高2陪以上，（能源消耗仅为气体氮化的40-70%，耗气量为气体氮化的百分几）无需具备防止污染的环保设施。因此，离子氮化法也称为本世纪的‘环保氮化法’。
2、渗速快
等离子氮化不仅氮化能力强，而且可使工件表面活化，产生加速吸收和扩散的缺陷，因而离子渗氮可以大大缩短渗氮时间，特别是浅层渗氮时更为突出。例如渗氮层深度在0.3~0.5mm时，离子渗氮的时间仅为普通气体渗氮时间的1/3~1/5。
3﹑极小的变形
由于离子渗氮是在真空中进行，因此可获得无氧化的加工表面，也不会损坏被处理工件表面的光洁度，而且在低温下进行处理（380℃起即可进行氮化处理），被处理的工件变形量极小，可以用来解决很多常规热处理无法解决的问题，能满足高精度零部件的要求，处理后无需再进行机械加工，即适合成品件的处理。
4﹑良好的韧性
经气体氮化和盐浴氮化处理的工件表面通常会出现较厚（20um以上）的化合物层，这是由于e+γ′两相组成的不均匀混合物层，里层则为扩散层。因此，在化合物内产生三相显微应力，若在此方向碰衫上再约略加外力就会产生微裂纹，此裂纹逐渐扩展而使整个化合物层剥落，含铬，铝渗氮钢的化合物层很脆，气体氮化后一般都要把它磨去才能使用。而离子氮化可通过控制气氛中氮和碳的含量比，或氮气和氢气的比例，可以获得5-30um的脆性较小的 ε相单相层或0-8um厚的韧性γ′相单相层，也可以得到韧性更优的无化合物层而仅有扩散层的渗层，这样可以不需要磨削直接装机使用。综合所述，等离子渗氮法通过调节氮气，氢气及其它气体（如：碳，氧，硫等）气体的比例，可以自由调节化合物层的相组成组织，从而获得预期的机械性能。
5﹑无需去钝处理
由于不绣钢表面钝化膜的阻碍，传统的气体氮化前必须做去钝处理，因工艺十分繁杂，且不易控制，效果难以保证，离子渗氮因溅射作用，可有效地去除这层钝化膜，无需去钝处理，因此等离子氮化工艺为不锈钢的表面强化处理提供了一条新的途径。
等离子氮化广泛用于冶金机械，轻工机械，汽车工业，铁道机械，船舶机械，纺织机械，化工机械，煤矿机械等等。
一般的机械制造：齿轮﹑齿圈﹑驱动轴﹑丝杆﹑螺杆﹑缸筒﹑阀体﹑精密偶件﹑盘型凸轮﹑液压元件﹑减速机零件﹑涡轮﹑涡杆﹑镗杆等；
汽车摩托车行业：曲轴﹑凸轮轴﹑齿轮﹑缸套﹑气门﹑连杆﹑扭转盘﹑刹车控制系统﹑活塞销﹑减速机的同步环﹑喷油嘴；
工具：高速钢钻头﹑铣刀﹑铰刀﹑丝锥﹑滚刀﹑插齿刀﹑拉刀厅册等，经处理后的刀具加工不锈钢，耐热钢效果尤为显著；
模具：各种塑料模具﹑橡胶模具﹑冷拉模﹑压铸模﹑挤压模﹑热锻模﹑玻璃模﹑切边模﹑弯曲模等，对承受压力不大的模具，可用正火态或调质态的中碳合金钢作渗氮处理；
纺织机械：罗拉﹑络筒机件﹑弹力丝机﹑热轨﹑钢领圈等；
在机床，机车，石化，矿山，轻工机械，军工枪炮等行业也有很广范应用。
表1 中分类列出了常用的渗氮材料。
类 别 牌 号
碳素结构钢 08（F）、10、15、20、45、60
合金结构钢 20MnV、20SiMn2MoV、25SiMn2MoV、37 SiMn2MoV、
15MnVB、20 MnVB、40 MnVB、20Si MnVB、15Cr、20Cr、
30Cr、35Cr、40Cr、15CrMo、38CrSi、20CrMo、30 CrMo、
35 CrMo、42 CrMo、12 CrMoV、35 CrMoV、25 Cr2MoVA、
20Cr3MoWVA、38CrMoAl、20CrV、40 CrV、50 CrVA、15CrMn、20CrMn、40CrMn、20CrMnSi、25 CrMnSi、30 CrMnSi、30CrMoAl、30CrMnAl、30CrMnSiA、20CrMnMo、40 CrMnMo、
20 CrMnTi
30 CrMnTi、12Cr2Ni4、20 Cr2Ni4、20CrNiMo、40CrNiMoA、
45CrNiMoVA、18Cr2Ni4WA、25 Cr2Ni4WA
不锈耐酸钢
耐热钢 1Cr17、1Cr13、2Cr13、7Cr17、1Cr18Ni9、0Cr17Ni7Al、1Cr5Mo、
1Cr13Mo、4Cr9Si2、4Cr14NI14W2Mo
合金工具钢 Cr12、Cr12MoV、Cr6WV、5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V、
4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV
高速工具钢 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2
球墨铸铁 QT600-3、QT700-2
钛合金 TA2、TA4、TA7
表2 常用材料经离子渗氮处理后的表面硬度及深层指标
材料 预先热处理 离子渗氮技术
类别 材料牌号 方式 硬度 表面硬度 渗层深度
10 15 20 原材料 350-430 0.2-0.3
45 55 正火或调质 HB180-200 450-550 0.2-0.5
合金结构钢 20Cr 调质 500-550 0.2-0.5
20CrMnTi 正火或调质 HB180-200 550-600 0.2-0.5
40Cr 调质 550-650 0.3-0.5
42CrMo 调质 550-700 0.3-0.5
渗氮钢 38CrMoAi 调质 900-1100 0.2-0.5
30CrMoAi 调质 HB217-223 850-1050 0.2-0.5
30CrMnAi 调质 HB223-228 750-850 0.2-0.5
工模具钢 Cr12 淬火+回火 HRC50 900-1000 0.15-0.3
Cr12MoV 淬火+回火 950-1050 0.15-0.35
W6MO5Cr4V2 固溶处理 1200-1500 0.01-0.25
3Cr2W8V 淬火+回火 900-1100 0.15-0.35
5CrNiMo 调质 HRC45 750-900 0.3-0.5
5CrMnMo 调质 650-890 0.3-0.5
H13 淬火+回火 950-1200 0.15-0.3
不锈钢 2Cr13,4Cr13 淬火+回火 900-1000 0.1-0.2
1Cr18Ni9Ni 固溶 HV162 900-1000 0.1-0.2
铸铁 HT20-4 铸态 HB203 350-550 0.1-0.3
QT600-2 正火 350-550 0.1-0.3
辉光离子氮化炉与气体氮化相比具有氮化时间快、氮化层脆性小、节约氨气用量等优点，但武汉丰而顺热处理设备有限公司实际生产中也存在着一些经常出现且不容易解决的问题。辉光离子氮化炉零件沿角处、孔口处、齿顶角处等会出现不均匀的黑带。因为辉光离子氮化炉不具备独立的可任意调控的辅助热源，全靠离子源悔轰击加热，为了达到氮化工艺温度，需用强辉光，导致尖角、空芯阴极等效应较强，在沿角处和孔口位温度较高产生脱碳，而炉内较大温差和气氛分布的不均匀，使得黑带有差别。
辉光离子氮化炉的模具很难升到氮化工艺温度，这是因为辉光离子氮化炉完全依靠强辉光轰击工件而产生的热量加热工件，而离子雹饥正加热与工件表面积密切相关，也与大模具表面积与重量比较悬殊相关，当有限的加热能量与炉子的散热损失达到平衡时，炉内温度升不肢芦上去是必然现象。
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