鋼的氮化－製程、氮化層、性能與應用

鋼的氮化 是一種熱化學處理工藝，其原理是用氮飽和材料的表面層。以適當活性形式輸送到表面的氮透過擴散作用深入鋼材內部，並與對氮具有高親和力的鐵和合金元素反應。
因此，一種特徵 氮化層其微觀結構和性能與芯材不同。對於選定的鋼材，此製程可實現極高的表面硬度、增強的耐磨性，並優化零件的摩擦學和疲勞性能。
滲氮製程最重要的特點之一是無需對鋼材進行奧氏體化處理，也無需在滲氮後立即進行快速硬化。與許多採用表面硬化的製程相比，這使得鋼材的尺寸變化和變形更小。

什麼是鋼材氮化？

氮化是一種擴散過程。它在零件表面創造條件，使活性氮能夠輸送到位，吸附在表面，並隨後擴散到材料內部。
過程可簡化為：

氮源 → 表面活化 → 氮滲透 → 擴散 → 氮化物形成 → 氮化層

與傳統淬火不同，滲氮淬火並不涉及奧氏體的形成及其隨後向馬氏體的轉變。其淬火機制主要與溶液中氮的存在以及鐵氮化物和合金元素的細小沉澱物形成有關。

鋼氮化機

工藝機制取決於所採用的技術。在氣體氮化中，氮源通常為氨氣；而在等離子體氮化中，被氮化物表面與含氮等離子體的活性成分相互作用。
在傳統的氣體滲氮製程中，氨的分解、氮的吸附以及氮滲入材料內部的過程都發生在鋼的表面。之後，部分氮會擴散到鋼的內部。
用簡化的技術符號表示，氨的分解可以表示為：

2NH₃ ⇌ ₂ [N] + _3H₂

在此符號體系中， [N]表示可用於表面反應的氮。表面反應和氮傳輸的實際機制更為複雜，因此諸如“Fe + N → FeN”之類的簡單方程式不應被視為氮化過程的完整描述。

氮氣進入鋼後會發生什麼變化？

氮一旦被引入材料中，便可以以溶液形式存在，並參與形成適當的相和沈澱。對氮具有高親和力的元素，例如… 鉻, 釩 鋁。
根據鋼的化學成分和製程參數，可能會形成非常細小的合金氮化物析出物。它們的存在可以顯著增強擴散層。
因此，專為氮化製程設計的鋼材含有能夠形成非常堅硬穩定的氮化層的元素。

氮化層的結構

氮化過程中形成的氧化層在其整個深度範圍內並不均勻。通常可以區分出以下幾種情況：

黏結層 → 擴散層 → 芯層

聯合層——即所謂的白層

氮化層的最外層稱為 工會層在金相學實踐中，它也被稱為「白層」。這個名稱來自它在製備良好的金相試樣上的外觀。
這一層可能包括（但不限於）：

• γ′相 – Fe₄N,
• ε相鐵_2-3N.

各相的比例和化合物層的厚度取決於滲氮勢、溫度、製程時間、大氣成分和基材。
複合層可以提供良好的摩擦學性能和抗某些類型磨損的能力，但過厚或結構不良會增加開裂和剝落的風險。因此，該技術的目標並非總是追求盡可能厚的複合層。

擴散層

化合物層下方是擴散層。在該區域內，氮含量隨著與表面距離的增加而逐漸降低。

在合金鋼中，氮可以與對氮具有高親和力的元素形成細小的沉澱物。這些析出物對於擴散層的高硬度至關重要。

擴散層對於以下方面尤其重要：

• 表面硬度
• 耐磨性
• 材料深處的硬度分佈
• 殘餘應力狀態
• 元件在變載荷作用下的行為。

氮化層中的氮含量和硬度分佈

氮含量在整個土層深度範圍內並不均勻。最高濃度出現在近地表處，然後向土芯方向逐漸降低。
硬度分佈曲線相似。根據鋼材牌號和層狀結構的不同，表層硬度極高，然後逐漸降低至與芯材硬度相對應的數值。
因此，在評估氮化元素時，不僅單一的表面硬度值很重要，而且 顯微硬度隨與表面距離的變化曲線.

鋼滲氮溫度

氮化處理的溫度低於鋼材傳統奧氏體化的溫度範圍。具體溫度取決於所採用的製程、材料類型以及所需的組織結構和氮化層深度。
在工業實務中，許多鋼材滲氮製程都在大約範圍內進行。 400-600℃下但這並不是所有滲氮技術的普遍限制。
溫度對擴散有顯著影響。溫度升高會加速材料內部的氮傳輸，但也會影響沉澱過程、微觀結構以及基材的性能。
因此，參數應如下選擇：

溫度 + 時間 + 氮活性 + 鋼材成分 + 所需層數

氮化時間

氮化是一種擴散過程，因此時間對氮化層的深度至關重要。根據製程和具體要求，該過程可能需要較短的週期，也可能需要數小時，如果需要較深的氮化層，則時間甚至更長。
不存在「小時數 = 特定深度」這種單一的普遍關係，因為層增長速度取決於溫度、材料的化學成分、微觀結構和大氣活動等因素。
由於該過程具有擴散特性，因此增加時間並不會導致層深度線性增加。

氣體氮化

氣體氮化 是經典的工業氮化方法之一。將工件放入爐中，爐內會產生含有氨氣的控制氣氛。
表面發生一系列過程，導致氮的供應，然後氮擴散到材料內部。
透過控制溫度、時間、大氣成分和氨的分解程度，您可以影響：

• 氮飽和動力學，
• 工會層建設，
• 擴散層深度
• 硬度分佈圖
• 最終表面性質。

氮化潛力

在現代氣體氮化控制中，一個重要的參數是 氮化潛力它描述了大氣層向地表輸送氮氣的能力，並允許對大氣層中各個相的形成進行更有意識的控制。
控制氮化勢可以限制化合物層的不受控制的生長，並根據技術要求塑造其結構。

氣體氮化的優點

• 知名的工業技術，
• 能夠同時處理多個元素
• 控制大氣成分的能力
• 透過適當的製程控制，可實現良好的重複性。
• 有可能獲得相對較深的擴散層。

氣體氮化的局限性

• 深層探測需要很長時間。
• 需控制製程氣氛，
• 形成過多或不必要的結合層的可能性
• 安全操作使用氨氣的裝置的必要性。

等離子體氮化 – 離子氮化

等離子氮化離子滲氮，也稱為離子氮化，是利用低壓氣體中的輝光放電。工件是電氣系統的一部分，產生的等離子體含有與工件表面相互作用的活性成分。
表面發生的製程包括離子轟擊、表面活化和清潔，以及提供氮氣以形成氮化層等。

等離子氮化的優勢

• 對圖層特性有極強的控制能力，
• 限製或控制工會力量的能力
• 選擇性保護無需氮化的表面的可能性
• 等離子體相互作用引起的表面活化
• 可用於許多要求嚴苛的工具和機械應用。

等離子體氮化的局限性

• 更複雜的技術設備，
• 需要控制排放和大氣參數，
• 製程對細節幾何形狀和電場分佈的敏感性
• 邊緣效應的可能性
• 需要對各元素進行適當的準備與安排。

液態氮化

氮化處理也可以在液態鹽浴中進行。根據製程和鹽浴成分的不同，此製程可使表面氮飽和，或使氮和碳同時反應。
因此，有必要將傳統的氮化概念與各種製程區分開來。 氮碳共滲 以及其他類型的鹽浴熱化學處理方法。

沐浴過程的優勢

• 地表遭受強烈的環境影響，
• 特定技術中相對快速的圖層創建，
• 浴液對元件可接觸表面產生均勻作用。

沐浴過程的局限性

• 化學品安全要求
• 需要控制浴液的成分，
• 廢棄物管理要求
• 根據所採用的技術和鹽的成分，會受到不同的環境限制。

滲氮和碳氮共滲

氮化 i 氮碳共滲 滲氮和碳氮共滲並非完全相同的概念。在氮化過程中，引入到塗層中的基本元素是氮。而在碳氮共滲製程中，表面主要被氮飽和，同時也會添加碳。
氣氛或鍍液成分的差異會影響化合物層的結構、製程動力學和表面性質。因此，這些技術不應被視為可互換。

影響氮化的參數

鋼的化學成分對滲氮的影響

並非所有鋼材對氮化處理的反應都相同。形成穩定氮化物的元素尤其重要。

鉻 – Cr

鉻對氮具有親和力，可參與形成有助於強化滲氮層的沉澱物。它是許多結構鋼和工具鋼滲氮處理過程中的重要組成部分。

鋁

鋁對氮具有極高的親和力。這使其成為專為滲氮製程設計的傳統鋼材中一種獨特的添加劑。與鋁相關的細小析出物的形成，使得滲氮層具有極高的硬度。

鉬 – Mo

鉬是許多可熱處理和可滲氮鋼的重要組成部分。它影響鋼材的淬透性、抗回火性以及高溫下的性能。

釩 – V

釩與氮形成穩定的化合物，可顯著增強擴散層的強度。

鈦 – Ti

鈦對氮具有極高的親和力，能形成高度穩定的氮化鈦（TiN）。然而，它對反應過程的影響取決於特定的合金成分和微觀結構狀態。

鋼的氮化

氮化處理適用於專為此製程設計的鋼材，以及部分結構鋼、工具鋼和不鏽鋼。然而，最終的硬度和氮化層特性很大程度上取決於其化學成分。
特別重要的群體包括：

• 用於滲氮處理的Cr-Al-Mo鋼，
• 鉻鉬鋼和鉻鉬釩鋼，
• 用於熱性能改進的鋼材，
• 熱作模具鋼，
• 採用適當的表面活化技術對精選不銹鋼進行處理。

38HMJ – 經典氮化鋼

38HMJ 它是氮化製程中最具代表性的結構鋼之一。鉻、鉬和鋁的存在使其能夠形成堅硬的氮化層。
這種材料用於關鍵機械零件，這些零件需要兼具耐用的芯材和堅硬耐磨的表面。
實際上，在進行氮化處理之前，元件應該有一個經過適當處理的芯部，這通常是透過預先進行熱處理來實現的。

31CrMoV9 及其他鉻鉬釩鋼

由於含有形成氮化物的元素以及基體性能的良好穩定性，含有鉻、鉬和釩的鋼材對氮化處理的反應非常好。
它們被用於機械元件、軸、傳動部件、工具以及其他易受磨損和高機械負荷的部件中。

工具鋼的氮化

氮化處理也用於某些特定用途。 工具鋼特別是含鉻、鉬和釩的合金工具鋼。
此工藝可提高刀具表面的耐磨性和抗磨損性，在適當的應用中，可延長刀具的使用壽命。
典型應用包括：

• 矩陣，
• 表格，
• 熱作業工具
• 別針，
• 構成要素，
• 塑膠加工系統的部件。

不銹鋼的氮化

由於不銹鋼表面存在富含氮的鈍化層，因此不銹鋼的氮化需要特殊的製程。 鉻這使得用氮對錶面進行經典的飽和處理變得困難。
等離子體技術能夠實現表面活化，因此也被用於加工某些不銹鋼。
對於不銹鋼而言，溫度的選擇尤其重要。在某些條件下，氮化鉻的析出會減少表面附近固溶體中剩餘的鉻的含量，從而降低其耐腐蝕性。
因此，在需要同時具備高硬度和高耐腐蝕性的應用中，會採用專門控制的低溫製程。

準備進行氮化處理的元件

氮化通常是零件生產週期中的最後工序之一。因此，應在氮化製程開始前確定其核心性能。
一條典型的生產線可能包括：

預處理 → 回火 → 機械處理 → 必要時進行壓力消除 → 精加工 → 氮化

具體的加工順序當然取決於材料、元件尺寸和所需的精度。

為什麼芯材通常要先熱處理？

氮化處理主要改善表面層的性能，但並不能取代熱處理，而熱處理才是使整個橫斷面達到所需強度的關鍵。
因此，結構鋼通常在使用前進行氮化處理。 熱性能提升這使您能夠實現：

• 耐用內核，
• 適當的可塑性，
• 基底的穩定微觀結構，
• 然後在氮化過程中形成非常堅硬的表面層。

早期回火溫度

如果該元件之前經過熱處理，則溫度 回火 選擇時應考慮後續的滲氮溫度。
其目的是限制元件在氮化製程溫度下停留數小時期間核心性能的不良變化。

氮化層的硬度

氮化處理可以獲得非常高的表面硬度。然而，並沒有一個適用於所有氮化鋼的統一硬度值。
硬度取決於：

• 鋼的化學成分
• 形成氮化物的元素種類和含量
• 工藝溫度和時間，
• 氮活性
• 建立工會層
• 擴散層的微觀結構，
• 測量方法和測量深度。

對於專門用於滲氮的鋼材，其表面顯微硬度可能超過 1000 HV，但這種數值不應被視為任何鋼材滲氮的普遍結果。

氮化層深度

層厚是擴散作用的結果，因此與製程時間和溫度密切相關。鋼材成分和有效層厚的定義也至關重要。

實際上，既會採用相對較淺的氮化層，也會採用深度較大的擴散層。然而，單一的滲氮層厚度範圍，例如 0,1–0,6 毫米，不應被視為整個滲氮製程的技術極限。

氮化層的性質

合理設計的氮化製程可以獲得許多良好的表面性能：

• 表面硬度極高，
• 提高耐磨性
• 在適當的摩擦學條件下，對癲癇發作的抵抗力增強，
• 殘餘應力分佈良好，
• 改善多種應用中的疲勞性能
• 與需要後續快速硬化的製程相比，具有更高的尺寸穩定性。

氮化和耐腐蝕性

滲氮對耐腐蝕性的影響並非對所有材料和製程都相同。
在某些環境下，尤其是在滲氮碳化製程和氧化製程中，形成適當的化合物層可以提高表面的耐腐蝕性。
然而，並非所有滲氮處理都能提高所有鋼材的耐腐蝕性。在不銹鋼中，溫度選擇不當會導致氮化鉻的釋放，從而降低其耐腐蝕性。

氮化和耐磨性

氮化層具有高硬度和特殊的微觀結構，因此廣泛應用於易受摩擦和磨損的零件中。
然而，實際的耐久性不僅取決於硬度，以下因素也扮演重要角色：

• 工會層建設，
• 擴散層深度
• 基材的硬度和強度
• 表面粗糙度
• 接觸壓力
• 相互作用表面的運動類型
• 潤滑，
• 工作溫度。

氮化和疲勞壽命

此製程可透過強化表面層和產生有利的壓縮應力，對疲勞壽命產生正面影響。
然而，這種效果取決於零件幾何形狀、表面品質、層深、芯材特性以及是否有缺口和其他應力集中點。

氮化過程中的形變

氮化製程的一大優點在於，它不需要在製程完成後立即從奧氏體化溫度快速冷卻。與奧氏體化相比，這降低了發生大變形的風險。 硬化, 感應淬火 LUB 火焰硬化.
然而，這並不意味著尺寸變化完全不存在。氮擴散、新相的形成、殘餘應力以及長時間加熱都可能導致輕微的尺寸變化，對於高精度零件而言，這些因素必須加以考慮。

氮化和表面硬化

滲氮和滲碳

滲碳和氮化都是熱化學處理工藝，但它們使用不同的元素和不同的機制來實現塗層的最終硬化。

氮化層的品質管制

評價氮化品質不應僅測量表面硬度。
根據應用程式場景的不同，測試內容包括但不限於以下幾個方面：

• 表面顯微硬度
• 深入材料內部的顯微硬度分佈圖
• 有效層深度
• 化合物層的厚度和結構，
• 擴散層的微觀結構，
• 層均勻性，
• 表面狀況
• 尺寸變化，
• 在嚴苛的應用環境中，還需具備耐磨、抗疲勞或抗腐蝕性。

氮化過程中最常見的問題

• 過厚的接合層 – 可能增加表面脆化和碎裂的可能性。
• 擴散層深度太小 – 時間不足或製程參數不合適。
• 氮化不均勻 – 可能是由於表面狀況、元件幾何形狀或不均勻的製程條件造成的。
• 芯部硬度不正確 – 氮化處理無法修復製備不當的基材微觀結構。
• 尺寸變化 ——雖然體積小，但在公差要求非常高的零件中卻非常重要。
• 不銹鋼耐腐蝕性的劣化 ——可能是由於溫度和技術選擇不當造成的。

氮化處理的應用

氮化處理用於需要堅硬、耐磨表面，同時保持堅固芯材和相對較小尺寸變化的零件。

機械工業

• 堤岸，
• 車軸，
• 別針，
• 襯套，
• 齒輪，
• 傳動部件
• 導遊，
• 液壓系統部件。

汽車產業

• 軸和驅動系統部件，
• 齒輪，
• 別針，
• 機械裝置中易受磨損和疲勞影響的部件。

工具業

• 塑膠模具
• 矩陣，
• 別針，
• 熱作業工具
• 形成和引導要素。

專用機械的製造

• 需要高耐磨性的元件
• 精密機械零件
• 在高表面壓力下運作的元件，
• 需要兼具堅硬表面和堅固內核的零件。

氮化處理最重要的優點

• 適當選擇的鋼材可以獲得非常高的硬度。
• 高表面耐磨性，
• 改善疲勞性能的可能性
• 氮化後無需立即對元件進行硬化處理。
• 尺寸變化相對較小，
• 加工成品或半成品零件的可能性
• 透過選擇技術和參數來控制層結構的能力。

氮化處理的局限性

• 深層探測需要很長時間。
• 最終硬度與鋼材的化學成分密切相關。
• 在加工前需要對岩芯進行適當的準備。
• 可能形成不良化合物層，
• 需要徹底的表面處理，
• 技術限制取決於零件的幾何形狀和所採用的方法。

鋼的氮化－最重要的訊息

鋼的氮化 這是一種熱化學處理工藝，無需奧氏體化和後續快速硬化處理，即可在工件表面形成一層非常堅硬且耐磨的表面層。該製程基於活性氮向表面輸送並擴散到材料內部。最終形成的表面層可能包含主要由γ′-Fe相組成的外層化合物層。₄N 和 ε-Fe_2-3氮及其下方的擴散層。對於含有對氮具有高親和力元素的鋼材，例如鉻、鋁和釩，可獲得特別好的效果。因此，人們開發了用於滲氮的特種鋼，其中一個經典的例子是… 38HMJ.
此層的性能並非由單一的通用溫度、硬度或深度範圍決定，而是取決於鋼種、初始顯微組織、溫度、時間、氮含量以及所採用的氮化方法。
由於氮化處理具有表面硬度高、耐磨性好、尺寸變化相對較小等優點，因此它是製造關鍵機械元件、工具、模具、軸、齒輪和精密零件時最重要的表面處理技術之一。

鋼的熱處理和熱化學處理方法

固溶處理只是用來改變鋼材微觀結構和性能的過程之一。根據所需效果，還可以採用正火、消除應力、淬火、回火等工藝，以及滲碳、滲氮等熱化學製程。

鋼材熱處理方法

• 正火鋼 – 晶粒細化和微觀結構統一。
• 應力消除退火 – 降低殘餘應力。
• 鋼的軟化 – 降低硬度並提高對進一步加工的敏感度。
• 完全退火 – 奧氏體化和緩慢冷卻。
• 等溫退火 – 在適當選擇的溫度下進行轉換。
• 球形退火－球化 – 滲碳體或其他碳化物的形態會改變。
• 重結晶退火 – 消除壓碎的影響並恢復可塑性。
• 均質退火 減少分離並使材料成分均勻化。
• 硬化和熱處理 透過淬火和回火來塑造微觀結構和性能。
• 鋼的回火 – 硬化後對鋼材性能進行可控改質。
• 感應淬火 – 表面感應加熱和快速冷卻。
• 火焰硬化 – 局部火焰加熱後表面硬化。
• 過飽和 – 透過適當的熱循環獲得過飽和固溶體。
• 老化 – 可控相分離，進而實現材料強化。

鋼的熱化學處理方法

• 鋼的氮化 – 氮在表面層的擴散富集。
• 滲碳鋼 – 碳在表面的擴散富集。
• 碳氮共滲 – 表面層同時富集碳和氮。
• 滲氮/滲氮 – 此層主要富含氮和碳。
• 鑽孔 – 表面硼的擴散飽和。
• 擴散鍍鉻 – 鉻在層中擴散富集。
• 擴散鍍鋁 – 鋁層的擴散富集。