氮化处理资料.pdf
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1、氮化处理技术 氮化处理技术 气体渗氮在 1923 年左右,由德国人 Fry 首度研究发展并加以工业化。由于 经本法处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温,其应用范围 逐渐扩大。例如钻头、螺丝攻、挤压模、压铸模、鍜压机用鍜造模、螺杆、连杆、 曲轴、吸气及排气活门及齿轮凸轮等均有使用。 一、氮化用钢简介 传统的合金钢料中之铝、铬、钒及钼元素对渗氮甚有帮助。这些元素在渗氮 温度中,与初生态的氮原子接触时,就生成安定的氮化物。尤其是钼元素,不仅 作为生成氮化物元素,亦作为降低在渗氮温度时所发生的脆性。其它合金钢中的 元素,如镍、铜、硅、锰等,对渗氮特性并无多大的帮助。一般而言,如果钢料
2、中含有一种或多种的氮化物生成元素,氮化后的效果比较良好。其中铝是最强的 氮化物元素,含有 0.851.5铝的渗氮结果最佳。在含铬的铬钢而言,如果有足 够的含量, 亦可得到很好的效果。 但没有含合金的碳钢, 因其生成的渗氮层很脆, 容易剥落,不适合作为渗氮钢。 一般常用的渗氮钢有六种如下: (1)含铝元素的低合金钢(标准渗氮钢) (2)含铬元素的中碳低合金钢 SAE 4100,4300,5100,6100,8600,8700,9800 系。 (3)热作模具钢(含约 5之铬) SAE H11 (SKD 61)H12,H13 (4)肥粒铁及麻田散铁系不锈钢 SAE 400 系 (5)奥斯田铁系不锈钢
3、 SAE 300 系 (6)析出硬化型不锈钢 17 - 4PH,17 7PH,A 286 等 含铝的标准渗氮钢,在氮化后虽可得到很高的硬度及高耐磨的表层,但其硬 化层亦很脆。相反的,含铬的低合金钢硬度较低,但硬化层即比较有韧性,其表 面亦有相当的耐磨性及耐束心性。因此选用材料时,宜注意材料之特征,充分利 用其优点,俾符合零件之功能。至于工具钢如 H11(SKD61)D2(SKD 11) , 即有高表面硬度及高心部强度。 二、氮化处理技术: 调质后的零件,在渗氮处理前须澈底清洗干净,兹将包括清洗的渗氮工作程 序分述如下: (1)渗氮前的零件表面清洗 大部分零件,可以使用气体去油法去油后立刻渗氮。
4、但在渗氮前之最后加工 方法若采用抛光、研磨、磨光等,即可能产生阻碍渗氮的表面层,致使渗氮后, 氮化层不均匀或发生弯曲等缺陷。此时宜采用下列二种方法之一去除表面层。第 一种方法在渗氮前首先以气体去油。然后使用氧化铝粉将表面作 abrassive cleaning 。第二种方法即将表面加以磷酸皮膜处理(phosphate coating) 。 (2)渗氮炉的排除空气 将被处理零件置于渗氮炉中,并将炉盖密封后即可加热,但加热至 150以 前须作炉内排除空气工作。 排除炉内的主要功用是防止氨气分解时与空气接触而发生爆炸性气体, 及防 止被处理物及支架的表面氧化。其所使用的气体即有氨气及氮气二种。 排除
5、炉内空气的要领如下: (1)被处理零件装妥后将炉盖封好,开始通无水氨气,其流量尽量可能多。 (2)将加热炉之自动温度控制设定在 150并开始加热(注意炉温不能高于 150) 。 (3)炉中之空气排除至 10以下,或排出之气体含 90以上之NH3时,再将 炉温升高至渗氮温度。 (3)氨的分解率 渗氮是铺及其它合金元素与初生态的氮接触而进行,但初生态氮的产生,即因氨 气与加热中的钢料接触时钢料本身成为触媒而促进氨之分解。 虽然在各种分解率的氨气下,皆可渗氮,但一般皆采用 1530的分解率, 并按渗氮所需厚度至少保持 410 小时,处理温度即保持在 520左右。 (4)冷却 大部份的工业用渗氮炉皆具
6、有热交换几, 以期在渗氮工作完成后加以急速冷却加 热炉及被处理零件。即渗氮完成后,将加热电源关闭,使炉温降低约 50 ,然后将氨的流量增加一倍后开始启开热交换机。此时须注意观察接 在排气管上玻璃瓶中,是否有气泡溢出,以确认炉内之正压。等候导入 炉中的氨气安定后,即可减少氨的流量至保持炉中正压为止。当炉温下 降至 150以下时,即使用前面所述之排除炉内气体法,导入空气或氮 气后方可启开炉盖。 三、气体氮化技术: 气体氮化系于 1923 年由德国AF ry 所发表, 将工件置于炉内, 利NH3气直接 输进 500550的氮化炉内, 保持20100 小时, 使NH3气分解为原子状态的 (N) 气与(
7、H)气而进行渗氮处理,在使钢的表面产生耐磨、耐腐蚀之化合物层为主 要目的, 其厚度约为 0.020.02mm, 其性质极硬Hv 10001200, 又极脆, NH3 之分解率视流量的大小与温度的高低而有所改变,流量愈大则分解度愈低,流量 愈小则分解率愈高, 温度愈高分解率愈高, 温度愈低分解率亦愈低, NH3气在 570 时经热分解如下: NH3 NFe + 2/3 H2 经分解出来的N,随而扩散进入钢的表面形成。相的Fe2 - 3N气体渗氮,一般缺点 为硬化层薄而氮化处理时间长。 气体氮化因分解NH3进行渗氮效率低,故一般均固定选用适用于氮化之钢 种, 如含有Al, Cr, Mo等氮化元素,
8、 否则氮化几无法进行, 一般使用有JIS、 SACM1 新JIS、SACM645 及SKD61 以强韧化处理又称调质因Al,Cr,Mo等皆为提高变 态点温度之元素,故淬火温度高,回火温度亦较普通之构造用合金钢高,此乃在 氮化温度长时间加热之间,发生回火脆性,故预先施以调质强韧化处理。NH3气 体氮化,因为时间长表面粗糙,硬而较脆不易研磨,而且时间长不经济,用于塑 料射出形机的送料管及螺旋杆的氮化。 四、液体氮化技术: 液体软氮化主要不同是在氮化层里之有Fe3N相,Fe4Nr相存在而不含Fe2N 相氮化物,相化合物硬脆在氮化处理上是不良于韧性的氮化物,液体软氮化的 方法是将被处理工件,先除锈,脱
9、脂,预热后再置于氮化坩埚内,坩埚内是以TF 1 为主盐剂,被加温到 560600处理数分至数小时,依工件所受外力负荷大 小,而决定氮化层深度,在处理中,必须在坩埚底部通入一支空气管以一定量之 空气氮化盐剂分解为CN或CNO,渗透扩散至工作表面,使工件表面最外层化合 物 89wt的N及少量的C及扩散层, 氮原子扩散入 Fe基地中使钢件更具耐疲 劳性,氮化期间由于CNO之分解消耗,所以不断要在 68 小时处理中化验盐剂 成份,以便调整空气量或加入新的盐剂。 液体软氮化处理用的材料为铁金属, 氮化后的表面硬度以含有 Al, Cr, Mo, Ti 元素者硬度较高,而其含金量愈多而氮化深度愈浅,如炭素钢
10、 Hv 350650, 不锈钢 Hv 10001200,氮化钢 Hv 8001100。 液体软氮化适用于耐磨及耐疲劳等汽车零件,缝衣机、照相机等如气缸套处 理,气门阀处理、活塞筒处理及不易变形的模具处。采用液体软氮化的国家,西 欧各国、美国、苏俄、日本、台湾。 五、离子氮化技术: 此一方法为将一工件放置于氮化炉内,预先将炉内抽成真空达 10-210-3 Torr(Hg)后导入N2气体或N2 + H2之混合气体,调整炉内达 110 Torr,将炉 体接上阳极,工件接上阴极,两极间通以数百伏之直流电压,此时炉内之N2气体 则发生光辉放电成正离子,向工作表面移动,在瞬间阴极电压急剧下降,使正离 子以
11、高速冲向阴极表面,将动能转变为气能,使得工件去面温度得以上升,因氮 离子的冲击后将工件表面打出Fe.C.O.等元素飞溅出来与氮离子结合成FeN, 由此 氮化铁逐渐被吸附在工件上而产生氮化作用,离子氮化在基本上是采用氮气,但 若添加碳化氢系气体则可作离子软氮化处理,但一般统称离子氮化处理,工件表 面氮气浓度可改变炉内充填的混合气体(N2 + H2)的分压比调节得之,纯离子氮 化时,在工作表面得单相的r(Fe4N)组织含N量在 5.76.1wt,厚层在 10n 以内,此化合物层强韧而非多孔质层,不易脱落,由于氮化铁不断的被工件吸附 并扩散至内部,由表面至内部的组织即为FeN Fe2N Fe3N F
12、e4N顺序变 化,单相(Fe3N)含N量在 5.711.0wt,单相(Fe2N)含N量在 11.011.35 wt,离子氮化首先生成r相再添加碳化氢气系时使其变成相之化合物层与扩散 层,由于扩散层的增加对疲劳强度的增加有很多助。而蚀性以相最佳。 离子氮化处理的度可从 350开始,由于考虑到材质及其相关机械性质的选 用处理时间可由数分钟以致于长时间的处理, 本法与过去利用热分解方化学反应 而氮化的处理法不同, 本法系利用高离子能之故, 过去认为难处理的不锈钢、 钛、 钴等材料也能简单的施以优秀的表面硬化处理。 高温材料热处理技术高温材料热处理技术 金属材料的热处理,有各式各样的目的,大致归类可列
13、入下面五项: (1) 消除材料经铸造、锻造,加工焊接与过程,在材料内部区成形成之残留应力。 (2) 消除材料铸造后之偏析件用,所造成之成份的不均匀。 (3) 软化材料,以利其可塑性、加工性。 (4) 增加材料强度、硬度、韧性、延展性与机械性质。 (5) 各种表面热处理,可增加材料表面硬度、耐磨性、耐蚀性、疲劳抵抗力,以 及保持物品形状、尺寸之稳定,避免变形。 一、不锈钢之热处理技术一、不锈钢之热处理技术 铬元素为此类材料具有不锈之因素,以往发现铬含量必须具有 12%以 上,才能形成密致之表面氧化膜而达到防蚀保护之作用,故任何不锈钢之 热处理必须考虑到对铬之成份有无造成任何变化。 (1) 麻田散
14、铁类不锈钢: 此类不锈钢为体心立方之结构(BCC)可为磁铁吸引,其制成为从奥斯田 温度急冷而得,此之耐蚀性为最好,但材质硬则脆,接着加以回火可以 增加延展性, 但耐蚀性会降低, 特别是在摄氏 450 度到 650 度之间回火, 会使在结晶格间隙内之碳原子扩散析出与铬形成网状之碳化铬造成临 近区域铬元素之消耗使铬成份降低,无法形成保护膜,而丧失耐蚀性, 故需特别注意。以下为各种麻田散铁类不锈钢材之热处理温度。 (a)403, 410, 416se 之温度为 650-750。 (b)414 之温度为 650-730。 (c)431 之温度为 6。 (d)440-A, 440-B, 440-C, 4
15、20 之温度为 680-750。 (2) 肥粒铁类不锈钢: 此种不锈钢为体心立方结构(BCC)可为磁铁吸引通常用在汽车工业或化 学工业上,强度不会因热处理而改变,但可以冷加工方式增加强度。 (3) 奥斯田铁类不锈钢: 此种不锈钢为面心立方结构(FCC)对磁铁不起作用,如前面所论此类材 料易加工,故其加工后为消除材料之残余应力而可施予不同之热处理。 (4) 析出硬化型不锈钢: 此种不锈钢由高温淬火后在低温热处理,由于材料中含之铝,或铜元素 析出沿着差排之滑面或晶界形成化合物(inter-metallic compounds)而可 以提高其强度或硬度。常用之析出硬化型不锈钢为 17-4 PH,其它
16、尚有 17-7 PH,PH15-7MO,AM-350,AM-355 等。 (5) 各类不锈钢焊接后热处理: 不锈钢内所含之铬元素,经焊接之后,在高温区域(热影响区)往往会扩 散析出与碳结合成碳化铬, 而造成局部之铬成份减少, 无法形成保护膜, 而穿孔等腐蚀情形经常在这些热影响区中发生,为补救这种情形业者经 常在焊接完后,将对象以热处理,其作用为使其它区域之铬元素扩散到 此铬缺少区域,以达到保护作用。 二、镍合金之热处理二、镍合金之热处理 镍合金因为存在于高温度下仍有极强的材料强度及韧性, 此点非其它金属所 能达到,加上镍合金有很好的耐蚀性、耐氧化性,所以在航空工业、火力发电、 石油开采与需要高
17、温强度地方都大量用到镍合金。 镍合金强化作用主要是靠伽玛析出物(rGamma Prime Preciptitate), 此种析 出物组成成份为N13M,其中M为铝、钛Ti、钽Ta等。副伽玛析出物本身强度不 会因温度升高而变弱,这是为什么镍合金在高温有高强的原因。 由上面我们知道控制镍合金强度,应由控制析出物大小着手,而析出物之大 小与加热的温度,加热的时间有一定的关系,所以利用热处理就能控制镍合金的 机械性质。 例如我们想要对一镍合金加工, 不论滚压车削等, 都不希望材质太硬, 此时我们可以将材料加温到摄氏一千二百度左右经一段时间将所有的副伽玛重 新溶解到材料中成为固溶体(Solid Solu
18、tion),快速冷却下来使副伽玛没时间凝析 出来,此时材质最软以利加工,这种热处理也叫固溶处理(solution treatment)。 对象外形达到后,随即我们要想材料到达我们所需要的强度与硬度,通常都 是在摄氏七百到八百度作时效处,使副伽玛在材质内均匀的析出,控制时间与温 度可以达到我们所要求的强度。 而一般使用镍合金的温度多在五、 六百度, 此时, 时效作用对副伽玛析出物成长的速度非常慢可不予考虑。 一般镍合金在热处理过程中经常有的问题是铝、钛等元素经表面而挥发掉, 在材料表面造成明显的一层脱铝(钛),结果是表面有一层没有副伽玛析出物的存 在(Depletion None),此一脱铝层的
19、厚度随温度时间上升而增加。此外在高温热 处理中由于氧原子容易沿着晶界渗入,造成氧化,形成脆性裂口而造成材质的破 坏,此为沿晶界氧化之问题。 为避免以上之问题产生,工业上往往将镍合金在惰性气体中或真空中加热,航空 工业中特别要求在高真空中加热,只要温度在摄氏九百五十度以上之热处理,皆 没法用真空炉处理后之淬火多采用冷氩气注入式加上风扇搅拌法以达到快速冷 却,在低于某一温度后取出,吹冷风以冷却。 三、钴合金之热处理三、钴合金之热处理 钴合金在高温工业上之应用多在不需藉高强度之地方, 因为钴合金之强度多 靠分布于其间的碳化物,但钴合金也有很好的耐氧化性耐蚀性。在航空工业涡轮 引擎构造中往往不转动不需
20、要强度的地方使用到钴合金, 不过钴本身的价格日益 高涨来源因难,加上镍合金的被覆法(coating)渐渐进步有取代钴合金应用之可 能。 通常钴合金不需要热处理, 也偶而会有与镍合金相类似之固溶处理与时效处 理,固溶处理时温度在摄氏九百五十度以上也需要用真空热处理炉处理,在处理 过程中比较容易产生的问题除沿晶界氧化, 还有一些吾人所不愿意要的脆性析出 物会凝析出来,例如片状之新格玛析出物。 常见热处理问题与解答常见热处理问题与解答 (1)淬火常见问题与解决技巧)淬火常见问题与解决技巧 Ms 点随点随 C%的增加而降低的增加而降低 淬火时,过冷沃斯田体开始变态为麻田散体的温度称之为 Ms 点,变态
21、完成之温 度称之为 Mf 点。%C 含量愈高,Ms 点温度愈降低。0.4%C 碳钢的 Ms 温度约为 350左右,而 0.8%C 碳钢就降低至约 200左右。 淬火液可添加适当的添加剂淬火液可添加适当的添加剂 (1)水中加入食盐可使冷却速率加倍:盐水淬火之冷却速率快,且不会有淬裂 及淬火不均匀之现象,可称是最理想之淬硬用冷却剂。食盐的添加比例以重量百 分比 10%为宜。 (2)水中有杂质比纯水更适合当淬火液:水中加入固体微粒,有助于工件表面 之洗净作用,破坏蒸气膜作用,使得冷却速度增加,可防止淬火斑点的发生。因 此淬火处理,不用纯水而用混合水之淬火技术是很重要的观念。 (3)聚合物可与水调配成
22、水溶性淬火液:聚合物淬火液可依加水程度调配出由 水到油之冷却速率之淬火液,甚为方便,且又无火灾、污染及其它公害之虞,颇 具前瞻性。 (4)干冰加乙醇可用于深冷处理容液:将干冰加入乙醇中可产生-76之均匀温 度,是很实用的低温冷却液。 硬度与淬火速度之关联性硬度与淬火速度之关联性 只要改变钢材淬火冷却速率,就会获得不同的硬度值,主要原因是钢材内部生成 的组织不同。当冷却速度较慢时而经过钢材的 Ps 曲线,此时沃斯田体变态温度 较高,沃斯田体会生成波来体,变态开始点为 Ps 点,变态终结点为 Pf 点,波来 体的硬度较小。若冷却速度加快,冷却曲线不会切过 Ps 曲线时,则沃斯田体会 变态成硬度较高
23、的麻田散体。麻田散体的硬度与固溶的碳含量有关,因此麻田散 体的硬度会随着%C 含量之增加而变大,但超过 0.77%C 后,麻田散体内的碳固 溶量已无明显增加,其硬度变化亦趋于缓和。 淬火与回火冷却方法之区别淬火与回火冷却方法之区别 淬火常见的冷却方式有三种,分别是: (1)连续冷却; (2)恒温冷却及(3)阶 段冷却。为求淬火过程降低淬裂的发生,临界区域温度以上,可使用高于临界冷 却速率的急速冷却为宜; 进入危险区域时, 使用缓慢冷却是极为重要的关键技术。 因此,此类冷却方式施行时,使用阶段冷却或恒温冷却(麻回火)是最适宜的。 回火处理常见的冷却方式包括急冷和徐冷两种冷却方法, 其中合金钢一般
24、使用急 冷;工具钢则以徐冷方式为宜。工具钢自回火温度急冷时,因残留沃斯田体变态 的缘故而易产生裂痕, 称之为回火裂痕; 相同的, 合金钢若采用徐冷的冷却方式, 易导致回火脆性。 淬火后,残留沃斯田体的所扮演的角色淬火后,残留沃斯田体的所扮演的角色 淬火后的工件内常存在麻田散体与残留沃斯田体, 在常温放置一段长久时间易引 起裂痕的发生,此乃因残留沃斯田体产生变态、引起膨胀所导致,此现象尤其再 冬天寒冷的气候下最容易产生。此外,残留沃斯田体另一个大缺点为硬度太低, 使得工具的切削性劣化。可使用深冷处理促使麻田散体变态生成,让残留沃斯田 体即使进一步冷却也无法再产生变态;或以外力加工的方式,使不安定
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