15日出版國外金屬加工2001目前，應(yīng)該重新認(rèn)識到:通過節(jié)省資源、節(jié)能、摩擦學(xué)方法，熱處理及表面改性技術(shù)能夠成為對環(huán)保作出較大貢獻的技術(shù)。眾多機械零部件的壽命由滑動部份的磨耗所決定。據(jù)報導(dǎo)，由于機械零件的磨耗而損失的價值，每年多達數(shù)兆日元。而為了解決摩擦、磨耗問題，很早以來。開發(fā)了各種表面硬化技術(shù)、表面改性技術(shù)。以往，表面改性技術(shù)基本上是滲碳(含滲碳氮化)，氮化不足滲碳的10%，不過滲碳比氮化的熱處理變形大，究其原因是該工藝能在短時間內(nèi)硬化到一定深度。但是，最近迫切要求采用低變形的熱處理工藝。在重新評價改進的氮化工藝時，首先應(yīng)該從去掉氮化是高價處理的這樣一種老觀念開始，氮化比滲碳的處理溫度低，并且，無需回火，從而前者能源成本是后者的一半以下。此外，通過氣體冷卻取代油冷卻方式，可省略后續(xù)洗凈工序，洗滌成本也是后者的一半以下，故氮化并非以往所說的高價處理工藝。本文敘述氮化工藝中批量生產(chǎn)性好、無公害的氣體軟氮化。圖1現(xiàn)在實施的改性技術(shù)的分類。氮化、等離子氮化、滲硫氮化，氧氮化等。氮化處理的特征有:由于都是在鐵素體領(lǐng)域進行處理，如在前處理階段充分除去應(yīng)力，隨處理而發(fā)生的變形是規(guī)則的，并且易于矯正。

作為對需要高精度的機械零件及工具改善其耐久性處理是極其有效的工藝。關(guān)于耐磨性，耐燒接性，由于表面附近生成的化合物層有非金屬的物性，配對的摩擦材料之間不易引起粘合及熔敷，表面附近產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力提高了疲勞強度;另外，表面的致密化合物層的存在，由于阻礙與氮化性氣氛的直接接觸，也有改善耐蝕性等眾多特點。圖2表示與Fe的表面改性有關(guān)的主要元素的關(guān)系。表是目前正在賣施的主要氮化法比較。氮化種類目前，實用的氮化表面熱處理中，除了很早進行的氣體氮化之外，有鹽浴氮化、氣體軟氣體氮化與氣體軟氮化對于需要較高強度、精度的零件，往往采用氣體氮化替代滲碳，從而使用氮化鋼材(SACM645)及模具鋼(SKL巧1)等高級材料的實例多。而氣體軟氮化多數(shù)使用碳素鋼等低級材料，表2是氣體氮化與氣體軟氮化的特性比較。最近，以汽車廠家與機床廠家為中心，要求開發(fā)滿足表面硬度HV700一800，內(nèi)部硬度HV200一300，處理時間5一10的氮化工藝，并且要求開發(fā)可供使用的材料(以扮或SCM基體的快速氮化鋼)。圖表示各種處理的強度與熱處理變形的位置關(guān)系。各種氮化法比較分類硬化層表面硬度(HV)氮化劑氮化溫度優(yōu)點衛(wèi)缺點氣體氮化化合物層最大30擴散層最大0.6高合金鋼1000氨氣520一530550一590高硬度、耐磨性好，疲勞強度高需研磨除去理，需專用鋼鹽浴氮化化合物層最大40擴散層最大0.4碳素鋼400一60合金鋼60一1200CNCN(〕鹽550一580短時間，耐燒接，疲勞強度高、可適應(yīng)于所有鋼材處理，設(shè)備專用少，可適應(yīng)任何形狀工件處理對于排水處理需除去CN-氣體軟氮化化合物層最大40擴散層最大0.4同上RX氣體550一600耐磨性、耐燒接性好，疲勞強度高，耐蝕性好，無需水處理對策設(shè)備費高，不適宜于奧處理等離子體氮化化合物層最大1.0擴散層最大0.4碳素鋼400一60合金鋼600一1200350一600氮化性好，可設(shè)定寬條件，化合層好小，不能從氮化溫度下急冷，難以批量生產(chǎn)碳氮化化合物層最大20擴散層最大0.4碳素鋼400一600合金鋼600一1200硫化物一156()一570燒接性好，其它特性與鹽浴軟氮化相同需排水處理設(shè)氣體滲硫氮化化合物層最大20擴散層最大0.5碳素鋼40一70合金鋼700一1200NH3，COZNZ，X一620耐磨性，耐燒接性，耐卡位性好，疲勞強度SVS氮化需要供給滲硫氣體設(shè)備，需排氣設(shè)備氣體氮化與氣體軟氮化的比較氮化法氣體氮化氣體軟氮化材質(zhì)高級鋼SACM，sKH，SKI〕，以二M，SUI〕低級鋼SPC，碳素鋼，鑄鐵，51，KM要求的組織擴散展AI、Cr的化合物(R月一N，F(xiàn)e一Cr一N)化合物Fe與N的化合物(Fe3N，F(xiàn)e4N)硬化層深度IIV700一12001抓科00一700處理時間90一150min用途少量產(chǎn)品:模具、驅(qū)動軸、噴射渦輪、凸輪批量產(chǎn)品:(認(rèn)零件汽車零件縫紉機零洲22CO為主要成份的吸熱反應(yīng)型變成氣體(RX氣)的混合氣氛中，于鐵一氮狀態(tài)圖的AI相變點以下的500一60溫度下，將工件加熱90一180min，從表面滲入氮與碳的方法，這時，零件表面產(chǎn)生如下反應(yīng):氣體:ZN玩一3踐+ZNRX氣體:ZCC卜補〔玖組成的鐵碳氮化物，其內(nèi)部形成0.3一1.Omxn的氮擴散層。

Fe表面改性相關(guān)的主要元素1.2氮基體法按照N玩、NZ，NHj、〔艾沁的組合，氮基體法分:中溫滲碳氮化種方法，主要反應(yīng)是圖4所示的情形，在零件表面上，由N比分解形成的氮化反應(yīng):ZN玩~ZN副反應(yīng)則是從少量添加(通常為全部氣體流量的3%一5%)Cq水化反應(yīng)，以及由于產(chǎn)生的(X〕形成的布德奧反應(yīng)氣體軟氮化種類注意事項及應(yīng)用ZNH3~NZ+H2氣體軟氮化是196年就已在GM公司的汽車零件中實際應(yīng)用的熱處理技術(shù)，當(dāng)時在大批量生產(chǎn)方面存在生產(chǎn)率、質(zhì)量穩(wěn)定性等諸多問題，但現(xiàn)在已基本上解決了這些問題，可認(rèn)為是無公害、省力、易于質(zhì)量管理的工藝。日本各廠家擁有分批生產(chǎn)型、少量型、或連續(xù)型的氣體軟氮化工藝正在應(yīng)用中。十RX)法最初開發(fā)的氣體軟氮化是，在以N凡利用N玩氮化的機理由于添加Cq，不使用RX氣體也可滲碳，此外，通過反應(yīng)除去吸附于工件表面的、妨礙氮化的元素姚，以促進氮化反應(yīng)。1.3氧氮化法如表3所示，氧氮化有在氮化氣體中添加，使氮化層中存在氧化物的添加氧氣法，以及氮化后的表面生成氮化物的復(fù)合處理法。典型的氧氮化方法氧氮化氧氣法!復(fù)合處理法〔R(釋月skj法(NH3+5%城0日產(chǎn)NN法(NHj十2%一5%兒)小川加壓氮化法(NH3加壓、氮化后同質(zhì)處理)奈特羅特克法(軟氮化后，瞬間氮化)添加踐0本方法是為高速鋼的氮化而開發(fā)的工藝，目前，取代了TIN膜的PvD工藝。

添加空氣的NN本方法是日產(chǎn)汽車公司中央研究所開發(fā)的工藝，在NH3中添加2%一5%(碳素鋼時為2%;低合金鋼時5%)的空氣，于50一600(一般為570)下處理300一180min。反應(yīng)式為:ZNH3一3玫ZN4NH3+3q42N利用微量的q促進了N玩分解，增加游離的，能在工件表面得到有效的氮化層。其中，利用添加的q與氣氛中的氏可反復(fù)進行氧化與還原，促進零件表面的晶格應(yīng)變氮化反應(yīng)。小川加壓氮化法本法使NH3達到7掩左mZ壓力，引人氮化爐內(nèi)，與520下氮化后，排出爐內(nèi)的N玩，然后送人小蒸汽，于520下，加熱30min，使工件表面氧化。Lu公司的奈特羅特克法本法于0一720下進行氣體軟氮化后，瞬間使工件表面氧化，從而進行軟氮化與氧化的復(fù)合處 定量且連續(xù)地向爐內(nèi)投人尿素，利用尿素(C()(NHZ 的熱分解形成氮化氣氛的處理方法 尿素的融點為132，從這一溫度引起脫除氨 的現(xiàn)象。尿素 一熱分解，就產(chǎn)生游離的 ，因此，這是氣體軟氮化中一種氮化能力強的方法，也是簡易有效的方法。但是，因為氣 體組成要固定化，從而，存在難以控制氮的濃 度的缺點。 3.2 機理 所謂氣體氮化(含氣體軟氮化) ，是使如前 述的游離的氮擴散到鋼中，隨淬火而使鋼材表 面硬化的方法。

如圖5、6 示，氮化溫度下的氮 的固溶限度0.1%以下，表面氮濃度如超過0. 1%，可形成 r’相(F燦N)，尤其是表面氮濃度 如超過6%，則形成 。相(凡3N) ，由于r’相是 fCC結(jié)構(gòu)(面心立方晶格) ，。相是cP 結(jié)構(gòu)(密排立方晶格) ，r，相一。相轉(zhuǎn)變中，需要一定時 間，因此，實際上存在 r‘相與。相的混合組織。 用光學(xué)顯微鏡觀察，r，相、。相都在硝酸乙醇等 腐蝕性溶液中不產(chǎn)生腐蝕，呈現(xiàn)白色，稱為白 層或化合物層。隨著進一步氮化，表面的氮濃 度如超過 乏韌性，從而應(yīng)該避免生成5相。隨著化合物 層的生成，氮進一步擴散到鋼中，鋼中的氮與 親和力強的川、Cr 、Ti 、V、Mo 等元素反應(yīng)形成 氮化物，由于化合物的應(yīng)變硬化，使化合物層 及擴散層硬化。圖7 是比較氮化與氧化的表 面斷面組織。可知氮化與氧化是非常類似的 反應(yīng)過程。關(guān)于氮化的文獻少，有關(guān)氧化的文 獻多，進行氮化研究時首先應(yīng)參考這類文獻。 3.3 效果 在鋼鐵材料制成的機械零部件上施行氮 化處理的主要目的，是提高所謂的耐久性，特 別是改善運動機械性質(zhì)，提高其耐磨性或疲勞 強度。圖8表示氮化層中各組織的特性與效 是減輕材料損耗的主要原因。

換言之，從改善耐磨性的觀點，對氮化層可以有兩種評價，其 一是由于氮化而生成硬化層，另外，生成具有 非金屬物性的。相(殘 一3N) ，r‘相(Fo N)等化 F倪02(hematite Fo04 (magllet ite) Feo (wu st ite) Fe (a)氮化組織(b)凡氧化層 二元相圖90 706O 5060 70 溫度 NH3一踐混合比與Fe 耐磨擦性、耐磨耗性稱為所謂氮化鋼中含有Al 、Cr 、Ti 、V、Mo 等合金元素的機械結(jié)構(gòu)鋼，或者模具鋼、不銹 鋼等高鉻系的合金鋼等，通過施行氮化處理， 表面硬度HV100 或以上，對于提高耐磨性產(chǎn) 生有效作用。另外，如碳素鋼及低合金鋼，通 過氮化不一定都能獲得上述那樣的高硬度，在 表面生成低合物層( ，由于抑制存在摩擦、磨耗的配對材料之間生產(chǎn)的粘合燒接，這 表示氣體軟氮化及滲碳淬火工藝處理工件的燒接試驗的結(jié)果。 耐疲勞性多數(shù)情形下，由于材質(zhì)疲勞引起的破壞是 最大拉伸應(yīng)力反復(fù)作用的表現(xiàn)上發(fā)生龜裂，其 龜裂傳播所引起的。通常，利用氮化提高疲勞 強度可考慮是因氮擴散層發(fā)揮作用的結(jié)果。 因此，即使是早期的疲勞破壞，擴散層的硬度 與深度是重要的。擴散層深度隨處理時間而 增加，從而設(shè)定適當(dāng)?shù)奶幚項l件是重要的，根