鋼的滲氮技術及檢驗2013年7月11目錄滲氮基本原理氮化方法滲氮鋼及預先熱處理滲氮工藝及實踐滲氮設備滲氮件的品質檢驗滲氮硬化層深度的測定和金相組織檢驗氮化常見問題分析2目錄滲氮基本原理2滲氮基本原理滲氮定義：是在一定溫度下一定介質中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。鋼的滲氮通常在480~580℃進行，抗蝕滲氮或含鈦2%以上的鋼種的滲氮溫度一般也不超過650℃.滲氮層表面硬度高而且表面處于壓應力狀態，能顯著提高鋼的耐磨性與疲勞強度，改善耐蝕性和抗擦傷性能。500℃以下長時間加熱，滲氮層硬度可基本保持不變。滲氮的目的：是為了提高鋼鐵制件的表面硬度，耐磨性，疲勞性能及抗腐蝕性能。3滲氮基本原理滲氮定義：是在一定溫度下一定介質中使氮原子滲入工滲氮基本原理傳統的氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動的氨氣并加熱，保溫較長時間后，氨氣熱分解產生活性氮原子，不斷吸附到工件表面，并擴散滲入工件表層內，從而改變表層的化學成分和組織，獲得優良的表面性能。如果在滲氮過程中同時滲入碳以促進氮的擴散，則稱為氮碳共滲。常用的是氣體滲氮和離子滲氮。4滲氮基本原理傳統的氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動的氮化原理

零件經過氮化以后，它的表層組織由于氮的滲入而發生了變化。由鐵氮系狀態圖中可知，其形成五種相，即α相、γ相、γ′相、ε相和ζ相。α相是氮在α-Ｆe中的間隙固溶體，α相在緩慢冷卻過程中將析出γ′相。γ相是氮在γ-Fe中的間隙固溶體，即含氮奧氏體。緩冷時γ相發生共析反應，生成共析組織（α+γ′）。γ′相是有序面心立點陣的間隙相，存在于680℃以下。γ′相有較高的硬度（HV550）和韌性。ε相是含氮范圍很寬的間隙相化合物，室溫時含氮量為8.1-11.1%，成分近似于Fe2-3N。隨著溫度的降低，ε相中不斷析出γ′相。ζ相是以密排六方點陣為化合物Fe2N為基的間隙固溶體，含氮在11.1-11.35%范圍內，性脆、耐腐蝕。氮化層的組織習慣上都說成由白亮層、α＋γ′、α這三層組成。Fe-N狀態圖中的相5氮化原理零件經過氮化以后，它的表層組織由于氮的滲入而發生了氮化原理合金鋼中氮化層的形成，氮不僅與鐵發生作用，而且與合金元素也發生作用。如果在590℃以下進行氮化，氮首先溶入α-Fe中形成α相。當氮達到α-Fe的飽和濃度后，便與氮化物形成元素發生作用，按照氮與合金元素親和力的強弱，依次形成氮化物。例如38CrMoAlA，先形成極為彌散的氮化鋁，然后形成氮化鉬，最后形成氮化鉻。合金元素與氮的親和力越大，所形成的氮化物越穩定，熔點、硬度也越高。氮化物的穩定性按下列次序降低，即Ti、Al、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe的氮化物。6氮化原理合金鋼中氮化層的形成，氮不僅與鐵發生作用，而且與合金氮化方法氮化工藝方法硬氮化：學名‘滲氮’，也有人稱為常規氮化。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。對于結構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質硬度又要使滲氮層的硬度達到要求值），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。軟氮化：軟氮化實質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。軟氮化方法分為氣體軟氮化和液體軟氮化兩大類。7氮化方法氮化工藝方法7氮化工藝方法軟氮化常用的共滲介質有尿素、甲酰胺和三乙醇胺，它們在軟氮化溫度下發生熱分解反應，產生活性碳、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。軟氮化層組織和軟氮化特點：鋼經軟氮化后，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行軟氮化處理。工件經軟氮化后的表面硬度與氮化工藝及材料有關。（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。8氮化工藝方法軟氮化8氮化方法滲氮方法：氣體滲氮液體滲氮固體滲氮離子滲氮。9氮化方法滲氮方法：9氮化方法10氮化方法10氣體氮化氣體氮化系于1923年由德國AFry所發表，將工件置于爐內，利NH3氣直接輸進500～550℃的氮化爐內，保持20～100小時，使NH3氣分解為原子狀態的（N）氣與（H）氣而進行滲氮處理，在使鋼的表面產生耐磨、耐腐蝕之化合物層為主要目的，其厚度約為0.02～0.2m/m，其性質極硬Hv1000～1200，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℃時經熱分解如下：NH3→〔N〕Fe+3/2H2經分解出來的N，隨而擴散進入鋼的表面形成。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進行滲氮效率低，故一般均固定選用適用于氮化之鋼種，如含有Al，Cr，Mo等氮化元素，否則氮化幾無法進行，一般使用強韌化處理又稱調質，因Al，Cr，Mo等皆為提高變態點溫度之元素，故淬火溫度高，回火溫度亦較普通之構造用合金鋼高，此乃在氮化溫度長時間加熱之間，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。11氣體氮化氣體氮化系于1923年由德國AFry所發表，將工件液體氮化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于韌性的氮化物，液體軟氮化的方法是將被處理工件，先除銹，脫脂，預熱后再置于氮化坩堝內，坩堝內是以TF–1為主鹽劑，被加溫到560～600℃處理數分至數小時，依工件所受外力負荷大小，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，氮化期間由于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Hv350～650，不銹鋼Hv1000～1200，氮化鋼Hv800～1100。液體軟氮化適用于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。12液體氮化液體軟氮化主要不同是在氮化層里之有Fe3Nε相，Fe離子氮化此一方法為將一工件放置于氮化爐內，預先將爐內抽成真空達10-2～10-3Torr（㎜Hg）后導入N2氣體或N2+H2之混合氣體，調整爐內達1～10Torr，將爐體接上陽極，工件接上陰極，兩極間通以數百伏之直流電壓，此時爐內之N2氣體則發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，將動能轉變為氣能，使得工件表面溫度得以上升，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合成FeN，由此氮化鐵逐漸被吸附在工件上而產生氮化作用，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，但一般統稱離子氮化處理，工件表面氮氣濃度可改變爐內充填的混合氣體（N2+H2）的分壓比調節得之，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，此化合物層強韌而非多孔質層，不易脫落，由于氮化鐵不斷的被工件吸附并擴散至內部，由表面至內部的組織即為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，由于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。離子氮化處理溫度可從350℃開始，由于考慮到材質及其相關機械性質的選用處理時間可由數分鐘以致于長時間處理，本法與過去利用熱分解化學反應氮化的處理法不同，本法系利用高離子能之故，過去認為難處理的不銹鋼、鈦、鈷等材料也能簡單的施以優秀的表面硬化處理。13離子氮化此一方法為將一工件放置于氮化爐內，預先將爐內抽成真空滲氮鋼及預先熱處理氮化鋼的特點優點明顯提高零件疲勞強度和耐磨性；具有對水、油等介質的耐腐蝕的能力；零件的變形量很小；氮化層在較高的溫度仍能保持其硬度。

缺點生產周期長，成本高。14滲氮鋼及預先熱處理氮化鋼的特點14滲氮鋼及預先熱處理氮化處理后的性能表面硬度要求高耐磨性的零件，表面硬度高達HV900～1000；僅要求高疲勞強度的零件，表面硬度可以為HV500～800。心部硬度在氮化處理前零件經受調質處理，零件硬度為HV200～300，為回火索氏體組織，經氮化處理后，心部還具有良好的綜合機械性能。

15滲氮鋼及預先熱處理氮化處理后的性能15滲氮鋼及預先熱處理氮化鋼的合金化合金元素與鋼的氮化工藝

氮化工藝的要求：氮化表面的高硬度；氮化表面的脆性滿足要求；獲得足夠深的氮化層深度；盡可能縮短氮化時間。氮化鋼的硬度和耐磨性主要取決于合金氮化物的數量、大小、種類和分布。但是由于鋼中含有一定量的C，因而氮化時總是形成碳氮化合物相。16滲氮鋼及預先熱處理氮化鋼的合金化16滲氮鋼及預先熱處理不同氮化鋼的氮化層深度與硬度的關系17滲氮鋼及預先熱處理不同氮化鋼的氮化層深度與硬度的關系17滲氮鋼及預先熱處理合金元素對氮化層深度和表面硬度的影響18滲氮鋼及預先熱處理合金元素對氮化層深度和表面硬度的影響18滲氮鋼及預先熱處理鋼的淬透性和淬火工藝

氮化鋼在氮化以前要進行調質處理，因此就必須考慮鋼的淬透性和其它淬火工藝性能。

鋁是非碳化物形成元素，鋁的存在并不增加鋼中碳化物的溶解溫度；鉻、鉬是增大鋼的淬透性重要的元素；鈦、鈮、釩等強碳化物形成元素存在時，需要提高淬火溫度，使含鈦、鈮、釩的碳化物溶于奧氏體中，增大鋼的淬透性。要使氮化過程中擴散進入α相的氮原子能與釩、鉬、鉻、鋁等原子形成超細微的氮化物，對α相基體起有效的硬化作用，那么，在調質處理淬火時，首先要使這些元素較多地溶入奧氏體，淬火成馬氏體時使這些元素被保留在馬氏體中。19滲氮鋼及預先熱處理鋼的淬透性和淬火工藝19滲氮鋼及預先熱處理合金元素與回火

鉻、鉬、釩元素溶入馬氏體中時，分別能使鋼在400～500℃、500～600℃、550～650℃回火時保持高的強度。鉬可使鋼在510～580℃氮化長期保溫和隨后爐冷時，不致產生回火脆化。20滲氮鋼及預先熱處理合金元素與回火20氮化鋼種21氮化鋼種21常用滲氮鋼

常用的合金鋼結構有40Cr、35CrMo、42CrMo、40CrNiMo、34CrNiMo38CrMoAl、25Cr2MoV、31CrMoV9合金工具鋼有H13、Cr12、Cr12MoV1、W28Cr4V22常用滲氮鋼22滲氮前的預先熱處理為了保證滲氮零件心部具有必要的力學性能（也稱機械性能），消除內應力，提高滲氮效果良好的原始組織和減少尺寸變化，零件滲氮前必須進行不同的預先熱處理。氮化工藝參數對預先熱處理工藝的要求預先熱處理中最后一道工序的加熱溫度至少要比滲氮溫度高10℃（一般高20~40℃）。否則，零件在氮化過程中其心部組織及力學性能將發生變化，零件的變形量將無法控制。精度高的零件在粗磨前后應進行1~2次去應力退火，處理溫度必須高于滲氮溫度，通常以高出30℃左右為宜。去應力退火可顯著減少滲氮后的變形和尺寸變化。常用的預先熱處理工藝常用的預先熱處理工藝有調質、淬火+回火、正火及退火。調質是結構鋼常用的預先熱處理工藝，調質的回火溫度至少要比滲氮溫度高10℃（一般高20~40℃）。回火溫度越高，工件硬度越低，基體組織中的碳化物彌散度愈小，滲氮時氮原子易滲入，滲氮層厚度也愈厚，但滲層硬度也愈低。因此，回火溫度應根據對基體性能和滲層性能的要求綜合確定。調質后理想的組織是細小均勻分布的索氏體組織，不允許存在粗大的索氏體組織，也不允許有較多的游離鐵素體存在。23滲氮前的預先熱處理為了保證滲氮零件心部具有必要的力學性能（也滲氮前的預先熱處理常用的預先熱處理工藝調質引起的脫碳對滲層脆性和硬度影響很大，所以調質前的工件應留有足夠的加工余量，以保證機械加工時能將脫碳層全部切除。對滲氮后要求變形很小的工件，在精加工前（如精磨）還應進行一次或多次穩定化處理，處理溫度應低于調質溫度而高于滲氮溫度。調質后，若工件的硬度或金相組織不合格，允許返工。工、模具鋼滲氮前的預先熱處理一般采用淬火+回火處理。不銹鋼滲氮前的預先熱處理一般采用淬火+回火，目的是為了消除加工應力和改善組織。對硬度要求不高的工件可采用退火處理。奧氏體不銹鋼通常采用固溶處理。正火預先熱處理只適用于對心部強度和韌性要求不高的滲氮件，正火時冷卻速度不宜過慢。尺寸較大的零件不宜采用正火處理，因正火時過慢的冷卻速度會產生粗大組織，滲氮后表面硬度低且不均勻。正火后不合格的工件允許返工。球鐵的預先熱處理多采用正火處理。退火處理在鈦合金中運用較多，結構鋼中極少采用退火處理。38CrMoAl鋼不允許采用退火處理，否則滲層組織結構中易出現針壯氮化物。對于經過變形（如沖壓、鍛造、機加工等）的零件，應進行去應力退火處理，以減小滲氮變形。還需要說明的是，細小的原始組織比粗大的原始組織滲氮后有更高的表面硬度及良好的硬度梯度，因此，正火時冷卻速度不易過慢，調質時回火溫度不應過高，保溫時間不應太長。截面尺寸大的零件不易用正火態，而應調質處理。總之，采用何種預先熱處理工藝，應依據工件的使用性能綜合確定。24滲氮前的預先熱處理常用的預先熱處理工藝24滲氮工藝及實踐合金結構鋼工藝路線

一般滲氮結構鋼零件的加工工藝路線是毛坯鍛造-正火或退火-切削加工-調質處理-精加工-滲氮。調質處理的淬火加熱溫度對滲氮件質量有很大影響，淬火加熱溫度過高，奧氏體晶粒粗大，使滲氮層出現脈狀組織，出現網狀氮化物。淬火時的冷卻速度對調質后的組織有重要影響，大塊游離鐵素體,貝氏體的出現既影響調質后的機械性能，也顯著影響滲氮層的氮化物形態。此外，調質處理的回火溫度對滲氮速度和滲氮層的表面硬度也有明顯的影響。25滲氮工藝及實踐合金結構鋼工藝路線25滲氮工藝及實踐結構鋼的氣體滲氮工藝氣體滲氮的工藝參數主要有滲氮溫度，氣氛的氮勢和滲氮時間。參數的確定應根據零件的使用性能對滲氮層所提出的滲層組織結構性能要求根據所用材料及滲氮規律來確定。同時還應根據所用的滲氮設備，零件對滲氮后變形的要求，以及經濟性等因素來綜合制定。常規滲氮工藝等溫滲氮工藝（一段滲氮法）它是在同一滲氮溫度下，長時間保溫的滲氮方法。通常在490-510℃滲氮，滲氮變形小，可獲得最高的滲層硬度，但滲速較慢，滲氮時間較長。典型工藝如圖5所示

。這種工藝適用于變形要求嚴格，硬度要求高的零件。

圖5

26滲氮工藝及實踐結構鋼的氣體滲氮工藝26滲氮工藝及實踐二段滲氮

第一段滲氮溫度和氮勢與等溫滲氮相同，目的是形成彌散度大的細小的沉淀硬化產物（混合偏聚區），然后再升溫到550℃降低氮勢繼續滲氮，以加速氮在鋼中的擴散，加深滲氮層的深度，從而顯著縮短總的滲氮時間，使滲氮層的硬度分布趨于平緩，工藝曲線圖如圖6所示

圖6

二段滲氮后，滲氮層硬度稍有下降，變形有所增加。適用于對滲層要求深的零件。3.3.227滲氮工藝及實踐二段滲氮27滲氮工藝及實踐三段滲氮法三段滲氮法的工藝規程如下圖所示。零件先在510℃左右低溫滲氮，使表層形成彌散度高的氮化物并使表層氮含量達到較高值。第二階段升溫到560~570℃。同時提高氨分解率，使氮原子以較大速率充分向內擴散，形成較厚的滲氮層。第三階段基本上與第一階段相同，目的是提高表面氮含量和硬度。這種工藝是將第二階段的溫度適當提高，以加快滲氮過程，同時增加較低溫度的第三階段，以彌補因第二階段氮的擴散快而使表面氮濃度過低，保證表面含氮量以提高表面硬度。三段式滲氮能進一步提高滲氮速度，顯著縮短生產周期，但硬度比一般滲氮工藝低，脆性、變形等比一般滲氮工藝略大。28滲氮工藝及實踐三段滲氮法28滲氮工藝及實踐循環兩段滲氮新工藝所謂“循環兩段”滲氮是指進行2~4個周期較短的二段滲氮循環。工藝曲線如右圖所示。滲氮初期采用較低的氨分解率和較低的滲氮溫度，使零件表面氮含量提高，氣氛與零件表面逐漸達到吸收與擴散的亞平衡。升高溫度，加大氨分解率，目的提高氮的擴散系數，強化氮在滲層中的擴散。持續6h后，零件表面氮含量降低。此時滲層增長速率極小，不宜再延長保溫時間。于是進入第二循環第一階段，即降低溫度和氨分解率，恢復高滲氮勢。并逐漸達到新的亞穩平衡。隨后又適時提高溫度與氨分解率。如此循環，就能充分利用強滲與擴散的高速（高效率）階段。29滲氮工藝及實踐循環兩段滲氮新工藝29滲氮工藝及實踐可控滲氮工藝常規滲氮方法所用的氮勢太高，范圍也太寬，常形成較厚的白層及大量脈狀氮化物，脆性增大，為此需要正確控制滲氮層的含氮量，對氮勢進行精確控制。

定值可控滲氮工藝在滲氮過程中氮勢控制值不變，參照氮勢門檻值選擇氮勢的控制值，能夠按要求控制表面化合物層的厚度，或獲得無白層的滲氮層。典型工藝：液壓泵錠子，材料38CrMoAl,技術要求：深層：0.4-0.6mm表面硬度900Hv0.3脆性1-2級白亮層≤0.006mm。分段可控滲氮：在滲氮初期采用與普通滲氮相當的高氮勢，

由氮勢門檻值曲線判斷在高氮勢下開始出現

化合物層的時間，并在此時間之前將氮勢力

降低到與滲氮總時間對應的氮勢門檻值，

如右圖所示，這樣可以獲得無白層的

滲氮組織。30滲氮工藝及實踐可控滲氮工藝30滲氮工藝及實踐應用實例1：材料42CrM.A調質處理后硬度為HV0.3337.滲氮設備為某公司罩式氮化爐，某國外公司多功能氮控儀，通過氫探頭進行測量和控制。使用分段式可控滲氮工藝，工藝參數如下：360℃x45’預氮化；450℃x2h氮氣置換；500℃x60’KN=0.7；530℃x40hKN=0.35上中下六個式樣的檢驗結果如下：（NO：215爐）表3：42CrMo530℃可控滲氮試驗數據：31滲氮工藝及實踐應用實例1：材料42CrM.A調質處滲氮工藝及實踐試驗結果表明：6個試樣的表面硬度平均為630.5，上偏差4.5，下偏差5.5，硬度均勻良好，6個試樣的平均層深=0.419mm，上偏差0.051mm，下偏差0.029mm，滲層均勻性良好，疏松和脆性均≤2級，氮化物除一個為3級，其余均為2級符合要求，氮化物的級別還同其他因素有關，6個試樣均無白層說明530℃，40h時氮勢門檻值在0.35以上。應用實例2：材料38CrMoAl,調質處理后在某公司精密井式滲氮爐中內進行可控滲氮處理，用氫探頭和氮控儀測量和控制，滲氮工藝如下：540℃KN=0.76x2h+540℃KN=0.20x70實驗結果如下：無白層，深層0.48mm，滲層氮化物2級，硬度達到要求。

32滲氮工藝及實踐試驗結果表明：6個試樣的表面硬度平均為630.氮化設備——熱處理爐的分類33氮化設備——熱處理爐的分類33可控氣氛多用爐生產線箱式可控回火爐

箱式可控氣氛多用爐網帶式可控氣氛多用爐

高溫型可控氣氛多用爐

多用爐生產線由加熱爐、清洗機、回火爐、推拉車、準備臺、完成臺、中繼臺、電控柜、滴注灌、深冷爐等設備根據用戶需要及產量需求可布置成各種不同組合的生產線34可控氣氛多用爐生產線箱式可控回火爐箱式可控氣氛多用爐網帶式井式氣體滲碳爐爐爐蓋升降機排氣滴注器井式電阻35井式氣體滲碳爐爐爐排滴注器井35箱式爐門爐膛爐殼爐門升降機構36箱爐門爐膛爐殼爐門升降機構36連續式熱處理爐37連續式熱處理爐37氮化爐RN2-25-6氮化爐

38氮化爐RN2-25-6氮化爐38滲氮設備滲氮設備有井式爐、密封箱式爐、罩式爐、底裝料立式爐、預真空滲氮爐等，可根據工件的大小、形狀技術要求、材料等綜合考慮后選用。這里不準備介紹每個爐子結構特點，只談爐子設計制造安裝調試等方面的一些共性技術。對滲氮爐的基本要求：最高使用溫度一般為700℃，滲氮常用工藝溫度為480-580℃這里規定為700℃是考慮在使用過程中滲氮爐內構件“老化”氨氣消耗大增，必須對爐內構件進行退氮處理，退氮一般為650-680℃，2-5小時。爐溫均勻性及控溫精度滲氮爐內有效加熱區的溫度均勻性應按GB/T9452的規定測定。均勻性和控溫精度應達到表4要求：39滲氮設備滲氮設備有井式爐、密封箱式爐、罩式爐、底裝料立式爐、滲氮設備表4滲氮爐爐溫均勻性和控溫精度要求（不大于）單位為℃

為了達到±3℃的爐溫均勻性，在爐體結構、循環風機和導風裝置、溫度控制方法等方面應精心設計，并應精心安裝，精心調試，否則是很難達到的。40滲氮設備表4滲氮爐爐溫均勻性和控溫精度要求（不大于）為了滲氮設備影響滲氮均勻性的因素主要有以下方面：溫度均勻性爐內氣流速度的均勻性，這同爐子結構設計特別是導風裝置如風機、導流裝置、風機轉速、導風桶與馬弗的間距等有關。氣氛和氣氛控制裝置：氣氛必須使用氨氣﹢氨高溫分解氣，并經過質量流量計（MFC）進行調節和控制。爐子的密封性和爐壓氣氛系統氨氣進氣管應設置干燥裝置，去除水分，水分含量≤0.1%；同時得讓氨氣充分氣化，壓力穩定嚴防液氨進入供氣系統，損壞FMC。進氣系統包括氨氣、氨分解氣、CO2、N2等氣體組成的供氣管道及相應裝置。每一種氣體進氣管路上都應放置截止閥、減壓穩壓閥、壓力計、流量計等。流量計規格與工藝實際用量相匹配。管路內必須清潔干凈、密封良好。不得有泄漏現象。排氣系統應保證排氣通暢，排出廢氣采取措施達標不得污染環境。排氣量應能自動控制，以控制爐壓可調和穩定。41滲氮設備影響滲氮均勻性的因素主要有以下方面：41純鐵滲氮層的組織和性能純鐵滲氮層的組織結構應該根據Fe－N狀態圖及擴散條件來進行分析．例如在520℃滲氮時，若表面氮原子能充分吸收，則按狀態圖自表面至中心依次為§相→γ’相→α相．滲層組織自表面至中心變成§→§＋γ’→γ’→γ’＋α→α相。下圖為10鋼650℃氣體滲氮45分鐘后以不同方式冷卻的滲層顯微組織．其中，a)為隨爐冷卻，其滲層組織最表面為抗腐蝕的化合物層(§相)，其次為最不耐蝕的區域，為γ’＋α的混合物區(包括共析層)；b)為滲氮后空冷組織，由于抑制了γ→γ’＋α的共析轉變，故沒有易腐蝕的區域，而由含氮奧氏體和含氮馬氏體所代替；c)為油冷，其滲層組織與空冷類似隨爐冷卻空冷油冷42純鐵滲氮層的組織和性能純鐵滲氮層的組織結構應該根據Fe－N滲氮層的組織、結構和性能滲氮層相組成物的基本特點

43滲氮層的組織、結構和性能滲氮層相組成物的基本特點滲氮層的組織、結構和性能滲氮層的性能滲層硬度梯度和耐磨性滲氮層的高硬度是由于表層形成了硬度高的彌散氮化物，其耐磨性比淬火的高合金鋼和滲碳鋼高0.5~3倍。滲氮層的抗疲勞性能由于表面壓應力和彌散析出的氮化物阻礙晶體滑移，疲勞強度顯著提高，但滲層過厚則疲勞強度下降。滲氮層的耐蝕性當ε相層厚度大于15μm、且致密區大于ε相層厚度的50%時，在自來水、潮濕空氣，弱堿性溶液和某些氣體燃燒產物中有較好的耐蝕性。此外，還具有一定的抗氣蝕性能。44滲氮層的組織、結構和性能滲氮層的性能44滲氮件品質檢驗原始組織滲氮層中氮化物檢驗疏松滲層脆性滲氮件的質量檢驗45滲氮件品質檢驗原始組織45原始組織對調質鋼滲氮前原始組織級別按索氏體中游離鐵素體數量分為5級原始組織的檢測方法及要求原始組織在滲氮處理以前進行檢驗（對大件可在表面2mm深度范圍內檢查），在顯微鏡下放大500倍，參照原始組織級別圖進行評定，一般零件1-3級為合格，重要零件1~2級為合格。滲氮工件的工作面不允許有脫碳層或粗大的索氏體組織。46原始組織對調質鋼滲氮前原始組織級別按索氏體中游離鐵素體滲氮前原始組織級別圖1級2級3級4級47滲氮前原始組織級別圖1級2級3級4級47滲氮前原始組織級別圖5級48滲氮前原始組織級別圖5級48氮化物檢查：滲氮層中氮化物級別按擴散層中氮化物的形態、數量和分布情況分為5級，見下圖和表1級2級3級4級氮化物中氮化物級別圖1級2級49氮化物檢查：滲氮層中氮化物級別按擴散層中氮化物的形態、數量和氮化物檢查5級擴散層中氮化物在顯微鏡下放大500倍進行檢驗，取其組織最差的部位，參照滲氮層氮化物級別圖進行評定。一般零件1-3級為合格，重要零件1-2級為合格。50氮化物檢查5級擴散層中氮化物在顯微鏡下放大500倍進行滲氮層疏松檢查滲氮層疏松級別按表面化合物層內微孔的形狀、數量、密集程度分為5級滲氮層疏松的檢測方法及技術要求滲氮層疏松在顯微鏡下放大500倍檢驗。取其疏松最嚴重的部位，參照滲氮層疏松級別圖進行評定，一般零件1.3級為合格，重要零件1-2級為合格。經氮碳共滲處理的零件，必須進行疏松檢驗。51滲氮層疏松檢查滲氮層疏松級別按表面化合物層內微孔的形狀滲氮層疏松級別圖1級2級3級4級52滲氮層疏松級別圖1級2級3級4級52滲氮層疏松級別圖5級53滲氮層疏松級別圖5級53滲氮層脆性檢驗滲氮層脆性檢驗一般采用維氏硬度計，試驗力10公斤，試驗力的加載必須緩慢（在5-9S內完成），試驗力加載完成后必須停留5-10S，然后卸載試驗力，特殊情況也可采用5KG或者30KG試驗力。維氏硬度壓痕在顯微放大100倍下進行檢查，每件至少測3點，其中兩點以上處于相同級別時，才能定級。否則需重新檢驗。滲氮層脆性應在零件工作部位或隨爐試樣的表面上檢測，一般零件為1-3級為合格，重要零件1-2級為合格，對于滲氮后留有磨痕的零件，也可在磨去加工余量后的表面上進行測定經氣體滲氮后的零件，必須進行檢驗。54滲氮層脆性檢驗滲氮層脆性檢驗一般采用維氏硬度計，試驗力10公滲氮層脆性檢驗滲氮層脆性級別按維氏硬度壓痕邊緣碎裂程度分為5級55滲氮層脆性檢驗滲氮層脆性級別按維氏硬度壓痕邊緣碎裂程度分為5滲氮件質量檢驗以提高耐磨，抗疲勞性能為主的滲氮件的質量檢驗滲層深度的測定方法滲氮層深度的常用測量方法有斷口法、硬度梯度法和金相法斷口法是將帶缺口的試樣打斷，根據滲氮層組織較細（呈瓷狀斷口）而心部組織較粗的特征，用放大25倍左右的放大鏡進行測量。硬度梯度法是將試樣作成10*10*60的長方體，滲氮后磨出一個斜度，以便將滲層放大，然后再測量硬度梯度。金相法是在顯微鏡下對與零件材質相同并同爐處理的試樣進行檢測。通常用2~4%硝酸酒精溶液或3~4%苦酸酒精溶液浸蝕以顯現氮化層。此法測至最深處γ′針為終點，無法量出αN區的厚度，故測得滲層深度比硬度梯度法淺滲氮層硬度的測定方法滲氮層硬度可用維氏、表面洛氏或顯微硬度計測量滲氮層脆性的測定方法可用HV5或HV10壓痕評級。金相組織合格的滲氮層組織不應有網狀氮化物、連續波紋狀（脈狀）以及魚骨狀氮化物。滲氮后不再磨加工的零件，應檢測ε相層厚度，為防止脆性偏大，其厚度≤30μm尺寸變化和變形問題：

滲氮件的尺寸因體積膨脹而略微脹大。變形量遠較滲碳、淬火件小。徑向尺寸增量約為0.5μm/mm。經過調質并在精磨前充分消除應力的工件，不僅變形微小，尺寸變化也小。滲氮后需精磨的零件，最大磨削量不得超過0.15mm，最好少于0.1mm56滲氮件質量檢驗以提高耐磨，抗疲勞性能為主的滲氮件的質量檢驗5滲氮件質量檢驗抗蝕滲氮件的質量檢驗（耐蝕性檢查）硫酸銅水溶液浸漬或液滴法將試樣浸入6~10%CuSO4水溶液中，持續1~2min后無銅的沉淀則質量合格。赤血鹽——氯化鈉水溶液浸漬或液滴法取10gK3Fe(CN)6、20gNaCl溶于1L蒸餾水，滲氮試件浸入水溶液中歷時1~2min無蘭色印跡即合格。57滲氮件質量檢驗抗蝕滲氮件的質量檢驗（耐蝕性檢查）57滲氮層硬度及厚度檢測方法

滲氮層深度從金相組織劃分，包括從最外層化合物層（白亮層）到擴散層與基體組織明顯分界處為止的深度。顯微維氏硬度檢測，依據從工件表面測至與基體有明顯界定硬度值處的垂直距離。顯微組織測量法根據零件處理后所導致零件表面至心部顯微組織的變化，測定零件的總氮化層深度或有效硬化層深度顯微硬度測量法根據零件熱處理后由零件表面至心部維氏顯微硬度的變化，測定零件的總硬化層深度或有效硬化層深度。58滲氮層硬度及厚度檢測方法滲氮層深度從金相組織劃分，包括從最滲氮層硬度及厚度檢測方法滲氮層深度硬度檢測方法：（滲氮層深度以字母DN表示。）試樣的準備試樣應從滲氮零件上切取，如工件不能破壞，也可用與零件相同材料和相同處理工藝的小試樣切取后檢測。試樣切取時要注意，應垂直滲氮層表面取樣（詳見金相試樣取樣方法），取樣后進行必要的磨拋處理，在磨拋過程中應注意冷卻，不能使工件過熱，邊緣不要出現倒角等。檢查滲氮層脆性的試樣，表面粗糙度要求>Ra0.25-0.63um，但不允許把表面化合物層磨掉。結果的表示，滲氮層深度用字母DN表示，深度以毫米計，取小數點后兩位。（如：0.35DN300HV0.3，表示滲氮層厚度為0.35mm，界限硬度值為300HV，檢測力為0.3KG）59滲氮層硬度及厚度檢測方法滲氮層深度硬度檢測方法：（滲氮層深度滲氮層硬度及厚度檢測方法檢測根據國標規定，一般選用顯微硬度計，檢測力通常選用0.3--1KG，從試樣表面測至比基體維氏硬度值高50HV處的垂直距離為滲氮層厚度。（通常采用梯式硬度測法，即從試樣表面開始，每間隔一定距離打一點基體硬度的取點與測定，一般在3倍左右滲氮層深度的距離處測得的硬度值(至少取3點，平均值)做為基體硬度值。對于滲氮層硬度變化很平緩的鋼種，（如碳鋼、低碳合金鋼制件），其滲氮層深度可以從試樣表面沿垂直方向測至比基體維氏硬度高30HV處。當滲氮層深度有的特別淺，有的則較深時，檢測力可以在0.2KG范圍內選擇(并注明，如HV0.2)結果的表示，滲氮層深度用字母DN表示，深度以毫米計，取小數點60滲氮層硬度及厚度檢測方法檢測60氮化常見問題分析硬度偏低生產實踐中，工件滲氮（軟氮化）后其表面硬度有時達不到工藝規定的要求，輕者可以返工，重者則造成報廢。造成硬度偏低的原因是多方面的：設備方面：如系統漏氣造成氧化；材料：如材料選擇欠佳；前期熱處理：如基體硬度太低，表面脫碳嚴重等；預先處理：如進爐前的清潔方式及清潔度。工藝方面：如滲氮（軟氮化）溫度過高或過低，時間短或氮勢不足等等。所以具體情況要具體分析，找準原因，解決問題。61氮化常見問題分析硬度偏低61氮化常見問題分析硬度和滲層不均勻裝爐方式不當；氣壓調節不當；溫度不均；爐內氣流不合理。變形過大

變形是難以杜絕的，對易變形件，采取以下措施，有利于減小變形：

滲氮（軟氮化）前應進行穩定化處理；滲氮（軟氮化）過程中的升、降溫速度應緩慢；保溫階段盡量使工件各處的溫度均勻一致。對變形要求嚴格的工件，如果工藝許可，盡可能采用較低的氮化（軟氮化）溫度。

62氮化常見問題分析硬度和滲層不均勻62氮化常見問題分析外觀質量差滲氮（軟氮化）件出爐后首先用肉眼檢查外觀質量，鋼件經滲氮（軟氮化）處理后表面通常呈銀灰（藍黑色）色或暗灰色（藍黑色），不同材質的工件，氮化（軟氮化）后其表面顏色略有區別，鈦及鈦合金件表面應呈金黃色。脈狀氮化物

氮化（特別是離子氮化）易出現脈狀氮化物，即擴散層與表面平行走向呈白色波紋狀的氮化物。其形成機理尚無定論，一般認為與合金元素在晶界偏聚及氮原子的擴散有關。因此，控制合金元素偏聚的措施均有利于減輕脈狀氮化物的形成。工藝參數方面，滲氮溫度越高，保溫時間越長,越易促進脈狀組織的形成，如工件的棱角處，因滲氮溫度相對較高，脈狀組織比其它部位嚴重得多。

63氮化常見問題分析外觀質量差63

謝謝！6464鋼的滲氮技術及檢驗2013年7月651目錄滲氮基本原理氮化方法滲氮鋼及預先熱處理滲氮工藝及實踐滲氮設備滲氮件的品質檢驗滲氮硬化層深度的測定和金相組織檢驗氮化常見問題分析66目錄滲氮基本原理2滲氮基本原理滲氮定義：是在一定溫度下一定介質中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。鋼的滲氮通常在480~580℃進行，抗蝕滲氮或含鈦2%以上的鋼種的滲氮溫度一般也不超過650℃.滲氮層表面硬度高而且表面處于壓應力狀態，能顯著提高鋼的耐磨性與疲勞強度，改善耐蝕性和抗擦傷性能。500℃以下長時間加熱，滲氮層硬度可基本保持不變。滲氮的目的：是為了提高鋼鐵制件的表面硬度，耐磨性，疲勞性能及抗腐蝕性能。67滲氮基本原理滲氮定義：是在一定溫度下一定介質中使氮原子滲入工滲氮基本原理傳統的氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動的氨氣并加熱，保溫較長時間后，氨氣熱分解產生活性氮原子，不斷吸附到工件表面，并擴散滲入工件表層內，從而改變表層的化學成分和組織，獲得優良的表面性能。如果在滲氮過程中同時滲入碳以促進氮的擴散，則稱為氮碳共滲。常用的是氣體滲氮和離子滲氮。68滲氮基本原理傳統的氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動的氮化原理

零件經過氮化以后，它的表層組織由于氮的滲入而發生了變化。由鐵氮系狀態圖中可知，其形成五種相，即α相、γ相、γ′相、ε相和ζ相。α相是氮在α-Ｆe中的間隙固溶體，α相在緩慢冷卻過程中將析出γ′相。γ相是氮在γ-Fe中的間隙固溶體，即含氮奧氏體。緩冷時γ相發生共析反應，生成共析組織（α+γ′）。γ′相是有序面心立點陣的間隙相，存在于680℃以下。γ′相有較高的硬度（HV550）和韌性。ε相是含氮范圍很寬的間隙相化合物，室溫時含氮量為8.1-11.1%，成分近似于Fe2-3N。隨著溫度的降低，ε相中不斷析出γ′相。ζ相是以密排六方點陣為化合物Fe2N為基的間隙固溶體，含氮在11.1-11.35%范圍內，性脆、耐腐蝕。氮化層的組織習慣上都說成由白亮層、α＋γ′、α這三層組成。Fe-N狀態圖中的相69氮化原理零件經過氮化以后，它的表層組織由于氮的滲入而發生了氮化原理合金鋼中氮化層的形成，氮不僅與鐵發生作用，而且與合金元素也發生作用。如果在590℃以下進行氮化，氮首先溶入α-Fe中形成α相。當氮達到α-Fe的飽和濃度后，便與氮化物形成元素發生作用，按照氮與合金元素親和力的強弱，依次形成氮化物。例如38CrMoAlA，先形成極為彌散的氮化鋁，然后形成氮化鉬，最后形成氮化鉻。合金元素與氮的親和力越大，所形成的氮化物越穩定，熔點、硬度也越高。氮化物的穩定性按下列次序降低，即Ti、Al、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe的氮化物。70氮化原理合金鋼中氮化層的形成，氮不僅與鐵發生作用，而且與合金氮化方法氮化工藝方法硬氮化：學名‘滲氮’，也有人稱為常規氮化。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。對于結構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質硬度又要使滲氮層的硬度達到要求值），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。軟氮化：軟氮化實質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。軟氮化方法分為氣體軟氮化和液體軟氮化兩大類。71氮化方法氮化工藝方法7氮化工藝方法軟氮化常用的共滲介質有尿素、甲酰胺和三乙醇胺，它們在軟氮化溫度下發生熱分解反應，產生活性碳、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。軟氮化層組織和軟氮化特點：鋼經軟氮化后，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行軟氮化處理。工件經軟氮化后的表面硬度與氮化工藝及材料有關。（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。72氮化工藝方法軟氮化8氮化方法滲氮方法：氣體滲氮液體滲氮固體滲氮離子滲氮。73氮化方法滲氮方法：9氮化方法74氮化方法10氣體氮化氣體氮化系于1923年由德國AFry所發表，將工件置于爐內，利NH3氣直接輸進500～550℃的氮化爐內，保持20～100小時，使NH3氣分解為原子狀態的（N）氣與（H）氣而進行滲氮處理，在使鋼的表面產生耐磨、耐腐蝕之化合物層為主要目的，其厚度約為0.02～0.2m/m，其性質極硬Hv1000～1200，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℃時經熱分解如下：NH3→〔N〕Fe+3/2H2經分解出來的N，隨而擴散進入鋼的表面形成。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進行滲氮效率低，故一般均固定選用適用于氮化之鋼種，如含有Al，Cr，Mo等氮化元素，否則氮化幾無法進行，一般使用強韌化處理又稱調質，因Al，Cr，Mo等皆為提高變態點溫度之元素，故淬火溫度高，回火溫度亦較普通之構造用合金鋼高，此乃在氮化溫度長時間加熱之間，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。75氣體氮化氣體氮化系于1923年由德國AFry所發表，將工件液體氮化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于韌性的氮化物，液體軟氮化的方法是將被處理工件，先除銹，脫脂，預熱后再置于氮化坩堝內，坩堝內是以TF–1為主鹽劑，被加溫到560～600℃處理數分至數小時，依工件所受外力負荷大小，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，氮化期間由于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Hv350～650，不銹鋼Hv1000～1200，氮化鋼Hv800～1100。液體軟氮化適用于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。76液體氮化液體軟氮化主要不同是在氮化層里之有Fe3Nε相，Fe離子氮化此一方法為將一工件放置于氮化爐內，預先將爐內抽成真空達10-2～10-3Torr（㎜Hg）后導入N2氣體或N2+H2之混合氣體，調整爐內達1～10Torr，將爐體接上陽極，工件接上陰極，兩極間通以數百伏之直流電壓，此時爐內之N2氣體則發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，將動能轉變為氣能，使得工件表面溫度得以上升，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合成FeN，由此氮化鐵逐漸被吸附在工件上而產生氮化作用，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，但一般統稱離子氮化處理，工件表面氮氣濃度可改變爐內充填的混合氣體（N2+H2）的分壓比調節得之，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，此化合物層強韌而非多孔質層，不易脫落，由于氮化鐵不斷的被工件吸附并擴散至內部，由表面至內部的組織即為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，由于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。離子氮化處理溫度可從350℃開始，由于考慮到材質及其相關機械性質的選用處理時間可由數分鐘以致于長時間處理，本法與過去利用熱分解化學反應氮化的處理法不同，本法系利用高離子能之故，過去認為難處理的不銹鋼、鈦、鈷等材料也能簡單的施以優秀的表面硬化處理。77離子氮化此一方法為將一工件放置于氮化爐內，預先將爐內抽成真空滲氮鋼及預先熱處理氮化鋼的特點優點明顯提高零件疲勞強度和耐磨性；具有對水、油等介質的耐腐蝕的能力；零件的變形量很小；氮化層在較高的溫度仍能保持其硬度。

缺點生產周期長，成本高。78滲氮鋼及預先熱處理氮化鋼的特點14滲氮鋼及預先熱處理氮化處理后的性能表面硬度要求高耐磨性的零件，表面硬度高達HV900～1000；僅要求高疲勞強度的零件，表面硬度可以為HV500～800。心部硬度在氮化處理前零件經受調質處理，零件硬度為HV200～300，為回火索氏體組織，經氮化處理后，心部還具有良好的綜合機械性能。

79滲氮鋼及預先熱處理氮化處理后的性能15滲氮鋼及預先熱處理氮化鋼的合金化合金元素與鋼的氮化工藝

氮化工藝的要求：氮化表面的高硬度；氮化表面的脆性滿足要求；獲得足夠深的氮化層深度；盡可能縮短氮化時間。氮化鋼的硬度和耐磨性主要取決于合金氮化物的數量、大小、種類和分布。但是由于鋼中含有一定量的C，因而氮化時總是形成碳氮化合物相。80滲氮鋼及預先熱處理氮化鋼的合金化16滲氮鋼及預先熱處理不同氮化鋼的氮化層深度與硬度的關系81滲氮鋼及預先熱處理不同氮化鋼的氮化層深度與硬度的關系17滲氮鋼及預先熱處理合金元素對氮化層深度和表面硬度的影響82滲氮鋼及預先熱處理合金元素對氮化層深度和表面硬度的影響18滲氮鋼及預先熱處理鋼的淬透性和淬火工藝

氮化鋼在氮化以前要進行調質處理，因此就必須考慮鋼的淬透性和其它淬火工藝性能。

鋁是非碳化物形成元素，鋁的存在并不增加鋼中碳化物的溶解溫度；鉻、鉬是增大鋼的淬透性重要的元素；鈦、鈮、釩等強碳化物形成元素存在時，需要提高淬火溫度，使含鈦、鈮、釩的碳化物溶于奧氏體中，增大鋼的淬透性。要使氮化過程中擴散進入α相的氮原子能與釩、鉬、鉻、鋁等原子形成超細微的氮化物，對α相基體起有效的硬化作用，那么，在調質處理淬火時，首先要使這些元素較多地溶入奧氏體，淬火成馬氏體時使這些元素被保留在馬氏體中。83滲氮鋼及預先熱處理鋼的淬透性和淬火工藝19滲氮鋼及預先熱處理合金元素與回火

鉻、鉬、釩元素溶入馬氏體中時，分別能使鋼在400～500℃、500～600℃、550～650℃回火時保持高的強度。鉬可使鋼在510～580℃氮化長期保溫和隨后爐冷時，不致產生回火脆化。84滲氮鋼及預先熱處理合金元素與回火20氮化鋼種85氮化鋼種21常用滲氮鋼

常用的合金鋼結構有40Cr、35CrMo、42CrMo、40CrNiMo、34CrNiMo38CrMoAl、25Cr2MoV、31CrMoV9合金工具鋼有H13、Cr12、Cr12MoV1、W28Cr4V86常用滲氮鋼22滲氮前的預先熱處理為了保證滲氮零件心部具有必要的力學性能（也稱機械性能），消除內應力，提高滲氮效果良好的原始組織和減少尺寸變化，零件滲氮前必須進行不同的預先熱處理。氮化工藝參數對預先熱處理工藝的要求預先熱處理中最后一道工序的加熱溫度至少要比滲氮溫度高10℃（一般高20~40℃）。否則，零件在氮化過程中其心部組織及力學性能將發生變化，零件的變形量將無法控制。精度高的零件在粗磨前后應進行1~2次去應力退火，處理溫度必須高于滲氮溫度，通常以高出30℃左右為宜。去應力退火可顯著減少滲氮后的變形和尺寸變化。常用的預先熱處理工藝常用的預先熱處理工藝有調質、淬火+回火、正火及退火。調質是結構鋼常用的預先熱處理工藝，調質的回火溫度至少要比滲氮溫度高10℃（一般高20~40℃）。回火溫度越高，工件硬度越低，基體組織中的碳化物彌散度愈小，滲氮時氮原子易滲入，滲氮層厚度也愈厚，但滲層硬度也愈低。因此，回火溫度應根據對基體性能和滲層性能的要求綜合確定。調質后理想的組織是細小均勻分布的索氏體組織，不允許存在粗大的索氏體組織，也不允許有較多的游離鐵素體存在。87滲氮前的預先熱處理為了保證滲氮零件心部具有必要的力學性能（也滲氮前的預先熱處理常用的預先熱處理工藝調質引起的脫碳對滲層脆性和硬度影響很大，所以調質前的工件應留有足夠的加工余量，以保證機械加工時能將脫碳層全部切除。對滲氮后要求變形很小的工件，在精加工前（如精磨）還應進行一次或多次穩定化處理，處理溫度應低于調質溫度而高于滲氮溫度。調質后，若工件的硬度或金相組織不合格，允許返工。工、模具鋼滲氮前的預先熱處理一般采用淬火+回火處理。不銹鋼滲氮前的預先熱處理一般采用淬火+回火，目的是為了消除加工應力和改善組織。對硬度要求不高的工件可采用退火處理。奧氏體不銹鋼通常采用固溶處理。正火預先熱處理只適用于對心部強度和韌性要求不高的滲氮件，正火時冷卻速度不宜過慢。尺寸較大的零件不宜采用正火處理，因正火時過慢的冷卻速度會產生粗大組織，滲氮后表面硬度低且不均勻。正火后不合格的工件允許返工。球鐵的預先熱處理多采用正火處理。退火處理在鈦合金中運用較多，結構鋼中極少采用退火處理。38CrMoAl鋼不允許采用退火處理，否則滲層組織結構中易出現針壯氮化物。對于經過變形（如沖壓、鍛造、機加工等）的零件，應進行去應力退火處理，以減小滲氮變形。還需要說明的是，細小的原始組織比粗大的原始組織滲氮后有更高的表面硬度及良好的硬度梯度，因此，正火時冷卻速度不易過慢，調質時回火溫度不應過高，保溫時間不應太長。截面尺寸大的零件不易用正火態，而應調質處理。總之，采用何種預先熱處理工藝，應依據工件的使用性能綜合確定。88滲氮前的預先熱處理常用的預先熱處理工藝24滲氮工藝及實踐合金結構鋼工藝路線

一般滲氮結構鋼零件的加工工藝路線是毛坯鍛造-正火或退火-切削加工-調質處理-精加工-滲氮。調質處理的淬火加熱溫度對滲氮件質量有很大影響，淬火加熱溫度過高，奧氏體晶粒粗大，使滲氮層出現脈狀組織，出現網狀氮化物。淬火時的冷卻速度對調質后的組織有重要影響，大塊游離鐵素體,貝氏體的出現既影響調質后的機械性能，也顯著影響滲氮層的氮化物形態。此外，調質處理的回火溫度對滲氮速度和滲氮層的表面硬度也有明顯的影響。89滲氮工藝及實踐合金結構鋼工藝路線25滲氮工藝及實踐結構鋼的氣體滲氮工藝氣體滲氮的工藝參數主要有滲氮溫度，氣氛的氮勢和滲氮時間。參數的確定應根據零件的使用性能對滲氮層所提出的滲層組織結構性能要求根據所用材料及滲氮規律來確定。同時還應根據所用的滲氮設備，零件對滲氮后變形的要求，以及經濟性等因素來綜合制定。常規滲氮工藝等溫滲氮工藝（一段滲氮法）它是在同一滲氮溫度下，長時間保溫的滲氮方法。通常在490-510℃滲氮，滲氮變形小，可獲得最高的滲層硬度，但滲速較慢，滲氮時間較長。典型工藝如圖5所示

。這種工藝適用于變形要求嚴格，硬度要求高的零件。

圖5

90滲氮工藝及實踐結構鋼的氣體滲氮工藝26滲氮工藝及實踐二段滲氮

第一段滲氮溫度和氮勢與等溫滲氮相同，目的是形成彌散度大的細小的沉淀硬化產物（混合偏聚區），然后再升溫到550℃降低氮勢繼續滲氮，以加速氮在鋼中的擴散，加深滲氮層的深度，從而顯著縮短總的滲氮時間，使滲氮層的硬度分布趨于平緩，工藝曲線圖如圖6所示

圖6

二段滲氮后，滲氮層硬度稍有下降，變形有所增加。適用于對滲層要求深的零件。3.3.291滲氮工藝及實踐二段滲氮27滲氮工藝及實踐三段滲氮法三段滲氮法的工藝規程如下圖所示。零件先在510℃左右低溫滲氮，使表層形成彌散度高的氮化物并使表層氮含量達到較高值。第二階段升溫到560~570℃。同時提高氨分解率，使氮原子以較大速率充分向內擴散，形成較厚的滲氮層。第三階段基本上與第一階段相同，目的是提高表面氮含量和硬度。這種工藝是將第二階段的溫度適當提高，以加快滲氮過程，同時增加較低溫度的第三階段，以彌補因第二階段氮的擴散快而使表面氮濃度過低，保證表面含氮量以提高表面硬度。三段式滲氮能進一步提高滲氮速度，顯著縮短生產周期，但硬度比一般滲氮工藝低，脆性、變形等比一般滲氮工藝略大。92滲氮工藝及實踐三段滲氮法28滲氮工藝及實踐循環兩段滲氮新工藝所謂“循環兩段”滲氮是指進行2~4個周期較短的二段滲氮循環。工藝曲線如右圖所示。滲氮初期采用較低的氨分解率和較低的滲氮溫度，使零件表面氮含量提高，氣氛與零件表面逐漸達到吸收與擴散的亞平衡。升高溫度，加大氨分解率，目的提高氮的擴散系數，強化氮在滲層中的擴散。持續6h后，零件表面氮含量降低。此時滲層增長速率極小，不宜再延長保溫時間。于是進入第二循環第一階段，即降低溫度和氨分解率，恢復高滲氮勢。并逐漸達到新的亞穩平衡。隨后又適時提高溫度與氨分解率。如此循環，就能充分利用強滲與擴散的高速（高效率）階段。93滲氮工藝及實踐循環兩段滲氮新工藝29滲氮工藝及實踐可控滲氮工藝常規滲氮方法所用的氮勢太高，范圍也太寬，常形成較厚的白層及大量脈狀氮化物，脆性增大，為此需要正確控制滲氮層的含氮量，對氮勢進行精確控制。

定值可控滲氮工藝在滲氮過程中氮勢控制值不變，參照氮勢門檻值選擇氮勢的控制值，能夠按要求控制表面化合物層的厚度，或獲得無白層的滲氮層。典型工藝：液壓泵錠子，材料38CrMoAl,技術要求：深層：0.4-0.6mm表面硬度900Hv0.3脆性1-2級白亮層≤0.006mm。分段可控滲氮：在滲氮初期采用與普通滲氮相當的高氮勢，

由氮勢門檻值曲線判斷在高氮勢下開始出現

化合物層的時間，并在此時間之前將氮勢力

降低到與滲氮總時間對應的氮勢門檻值，

如右圖所示，這樣可以獲得無白層的

滲氮組織。94滲氮工藝及實踐可控滲氮工藝30滲氮工藝及實踐應用實例1：材料42CrM.A調質處理后硬度為HV0.3337.滲氮設備為某公司罩式氮化爐，某國外公司多功能氮控儀，通過氫探頭進行測量和控制。使用分段式可控滲氮工藝，工藝參數如下：360℃x45’預氮化；450℃x2h氮氣置換；500℃x60’KN=0.7；530℃x40hKN=0.35上中下六個式樣的檢驗結果如下：（NO：215爐）表3：42CrMo530℃可控滲氮試驗數據：95滲氮工藝及實踐應用實例1：材料42CrM.A調質處滲氮工藝及實踐試驗結果表明：6個試樣的表面硬度平均為630.5，上偏差4.5，下偏差5.5，硬度均勻良好，6個試樣的平均層深=0.419mm，上偏差0.051mm，下偏差0.029mm，滲層均勻性良好，疏松和脆性均≤2級，氮化物除一個為3級，其余均為2級符合要求，氮化物的級別還同其他因素有關，6個試樣均無白層說明530℃，40h時氮勢門檻值在0.35以上。應用實例2：材料38CrMoAl,調質處理后在某公司精密井式滲氮爐中內進行可控滲氮處理，用氫探頭和氮控儀測量和控制，滲氮工藝如下：540℃KN=0.76x2h+540℃KN=0.20x70實驗結果如下：無白層，深層0.48mm，滲層氮化物2級，硬度達到要求。

96滲氮工藝及實踐試驗結果表明：6個試樣的表面硬度平均為630.氮化設備——熱處理爐的分類97氮化設備——熱處理爐的分類33可控氣氛多用爐生產線箱式可控回火爐

箱式可控氣氛多用爐網帶式可控氣氛多用爐

高溫型可控氣氛多用爐

多用爐生產線由加熱爐、清洗機、回火爐、推拉車、準備臺、完成臺、中繼臺、電控柜、滴注灌、深冷爐等設備根據用戶需要及產量需求可布置成各種不同組合的生產線98可控氣氛多用爐生產線箱式可控回火爐箱式可控氣氛多用爐網帶式井式氣體滲碳爐爐爐蓋升降機排氣滴注器井式電阻99井式氣體滲碳爐爐爐排滴注器井35箱式爐門爐膛爐殼爐門升降機構100箱爐門爐膛爐殼爐門升降機構36連續式熱處理爐101連續式熱處理爐37氮化爐RN2-25-6氮化爐

102氮化爐RN2-25-6氮化爐38滲氮設備滲氮設備有井式爐、密封箱式爐、罩式爐、底裝料立式爐、預真空滲氮爐等，可根據工件的大小、形狀技術要求、材料等綜合考慮后選用。這里不準備介紹每個爐子結構特點，只談爐子設計制造安裝調試等方面的一些共性技術。對滲氮爐的基本要求：最高使用溫度一般為700℃，滲氮常用工藝溫度為480-580℃這里規定為700℃是考慮在使用過程中滲氮爐內構件“老化”氨氣消耗大增，必須對爐內構件進行退氮處理，退氮一般為650-680℃，2-5小時。爐溫均勻性及控溫精度滲氮爐內有效加熱區的溫度均勻性應按GB/T9452的規定測定。均勻性和控溫精度應達到表4要求：103滲氮設備滲氮設備有井式爐、密封箱式爐、罩式爐、底裝料立式爐、滲氮設備表4滲氮爐爐溫均勻性和控溫精度要求（不大于）單位為℃

為了達到±3℃的爐溫均勻性，在爐體結構、循環風機和導風裝置、溫度控制方法等方面應精心設計，并應精心安裝，精心調試，否則是很難達到的。104滲氮設備表4滲氮爐爐溫均勻性和控溫精度要求（不大于）為了滲氮設備影響滲氮均勻性的因素主要有以下方面：溫度均勻性爐內氣流速度的均勻性，這同爐子結構設計特別是導風裝置如風機、導流裝置、風機轉速、導風桶與馬弗的間距等有關。氣氛和氣氛控制裝置：氣氛必須使用氨氣﹢氨高溫分解氣，并經過質量流量計（MFC）進行調節和控制。爐子的密封性和爐壓氣氛系統氨氣進氣管應設置干燥裝置，去除水分，水分含量≤0.1%；同時得讓氨氣充分氣化，壓力穩定嚴防液氨進入供氣系統，損壞FMC。進氣系統包括氨氣、氨分解氣、CO2、N2等氣體組成的供氣管道及相應裝置。每一種氣體進氣管路上都應放置截止閥、減壓穩壓閥、壓力計、流量計等。流量計規格與工藝實際用量相匹配。管路內必須清潔干凈、密封良好。不得有泄漏現象。排氣系統應保證排氣通暢，排出廢氣采取措施達標不得污染環境。排氣量應能自動控制，以控制爐壓可調和穩定。105滲氮設備影響滲氮均勻性的因素主要有以下方面：41純鐵滲氮層的組織和性能純鐵滲氮層的組織結構應該根據Fe－N狀態圖及擴散條件來進行分析．例如在520℃滲氮時，若表面氮原子能充分吸收，則按狀態圖自表面至中心依次為§相→γ’相→α相．滲層組織自表面至中心變成§→§＋γ’→γ’→γ’＋α→α相。下圖為10鋼650℃氣體滲氮45分鐘后以不同方式冷卻的滲層顯微組織．其中，a)為隨爐冷卻，其滲層組織最表面為抗腐蝕的化合物層(§相)，其次為最不耐蝕的區域，為γ’＋α的混合物區(包括共析層)；b)為滲氮后空冷組織，由于抑制了γ→γ’＋α的共析轉變，故沒有易腐蝕的區域，而由含氮奧氏體和含氮馬氏體所代替；c)為油冷，其滲層組織與空冷類似隨爐冷卻空冷油冷106純鐵滲氮層的組織和性能純鐵滲氮層的組織結構應該根據Fe－N滲氮層的組織、結構和性能滲氮層相組成物的基本特點

107滲氮層的組織、結構和性能滲氮層相組成物的基本特點滲氮層的組織、結構和性能滲氮層的性能滲層硬度梯度和耐磨性滲氮層的高硬度是由于表層形成了硬度高的彌散氮化物，其耐磨性比淬火的高合金鋼和滲碳鋼高0.5~3倍。滲氮層的抗疲勞性能由于表面壓應力和彌散析出的氮化物阻礙晶體滑移，疲勞強度顯著提高，但滲層過厚則疲勞強度下降。滲氮層的耐蝕性當ε相層厚度大于15μm、且致密區大于ε相層厚度的50%時，在自來水、潮濕空氣，弱堿性溶液和某些氣體燃燒產物中有較好的耐蝕性。此外，還具有一定的抗氣蝕性能。108滲氮層的組織、結構和性能滲氮層的性能44滲氮件品質檢驗原始組織滲氮層中氮化物檢驗疏松滲層脆性滲氮件的質量檢驗109滲氮件品質檢驗原始組織45原始組織對調質鋼滲氮前原始組織級別按索氏體中游離鐵素體數量分為5級原始組織的檢測方法及要求原始組織在滲氮處理以前進行檢驗（對大件可在表面2mm深度范圍內檢查），在顯微鏡下放大500倍，參照原始組織級別圖進行評定，一般零件1-3級為合格，重要零件1~2級為合格。滲氮工件的工作面不允許有脫碳層或粗大的索氏體組織。110原始組織對調質鋼滲氮前原始組織級別按索氏體中游離鐵素體滲氮前原始組織級別圖1級2級3級4級111滲氮前原始組織級別圖1級2級3級4級47滲氮前原始組織級別圖5級112滲氮前