渗氮(Nitriding)也称为氮化,是金属的热处理制程,将氮扩散到金属表面,以形成硬化的表面.渗氮制程最常用在低碳钢、低合金钢上,也会用在中碳钢或高碳钢、含钛、铝、钼等合金钢上。2015年时,已用渗氮来产生独特的二元微结构(马氏体-奥氏体,奥氏体-铁素体),这些结构具有强化的机械性质 [1]。
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制程
渗氮制程是依照加氮的介质来命名。主要可以分为三种:气体渗氮、盐浴渗氮及等离子渗氮。
气体渗氮的加氮介质是富含氮的气体,多半是氨(NH3),因此有时也称为氨渗氮(ammonia nitriding)[3]。氨和加热的工件表面接触时,氨会分解为氮及氢。氮会渗透到工件表层,形成氮化层。在一世纪之前就已有此一制程,但最近数十年才比较多的探讨其中的热力学及反应动力学。近来的研究已产生可以准确控制的制程。可以选择氮化层的厚度,以及其中的相组成,也可以针对所需要的特殊性质进行制程的最佳化。
气体渗氮的优点有:
- 透过控制外围含氮气体中,氮气及氧气的流率,可以确准的控制氮气的化学能。
- 所有表面都有渗氮的效果(相较于等离子渗氮,但可能会是缺点)
- 可以大批量的制程。限制因素是气化炉的尺寸以及气体流率
- 透过现代电脑化的控制含氮气体,可以精密控制渗氮的效果
- 设备成本较低(尤其是和等离子渗氮比较)
气体渗氮的缺点有:
- 其反应动力学会大幅受到表面条件的影响:若表面有油,或是被切削液污染,渗氮效果就会很差。
- 若是处理高含铬的钢,有时需要表面活化(surface activation),可以和等离子渗氮中的溅镀(sputtering)相比较。
- 作为渗氮介质的氨:虽然没有毒性,但若大量吸入气体,仍然会造成伤害。而且在加热时,若其中含有氧气,需谨慎处理,以降低爆炸的风险。
盐浴渗氮的富氮介质是含氮的盐类,例如氮化物。这种盐也会释放碳到工件的表面,因此也是渗氮碳化。在渗氮碳化使用的温度约是550至570 °C。盐浴渗氮的好处是相较于其他方式,此方式可以在相同时间内有较高的渗透量。
盐浴渗氮的优点有:
- 处理快速:大约四小时即可完成。
- 程序简单:让盐浴的盐淹没工件,加热到一定时间即可。nspired.
缺点是:
- 盐浴的盐有高毒性。西方国家对于盐浴盐的弃置有严格的环境法律要求,因此增加了盐浴的成本。这也是这数十年来已不再使用盐浴的原因。
- 每一种特定种类的盐只适合用于一种制程,因为氮的活性是由盐类决定的,只适合一种制程。
等离子渗氮也称为离子渗氮、電漿離子滲氮、辉光放电渗氮,是工业上针对金属材料进行表面硬化的方式。
在等离子渗氮时,氮介质的反应能力不是由温度决定,而是由气体的离子态决定。此技术中会用高电场使要氮化工件表面的气体产生离子化的分子。这种高反应性的气体伴随着离子化的分子,称为等离子,此制程因此称为等离子渗氮。等离子渗氮用的气体一般是纯氮气,因此不需要自发性的分解(像使用氨的气体渗氮就需要分解)。有用等离子炬产生的热等离子,用在金属切割、焊接、金属包覆及喷涂上。也有在真空腔体或是低压强条件产生的冷等离子。
钢在等离子渗氮的效果最好。此制程可以针对渗氮的微结构进行精细的控制,可以让渗氮产生化合物层,或是不要化合物层。不但强化下了金属部分的性能,也增加了工件的寿命、应力限及疲劳强度。例如沃斯田钢不锈钢的机械性质(例如耐磨程度)可以显著提升,工具钢的表面硬度也可以加倍[4][5]。
等离子渗氮后的工件一般就可以使用了,不需加工或是其他渗氮后的制程。此制程对使用者很友善,作业很快,节省能源,而且变形量不大,或甚至不会变形。
此制程是由德国的Bernhardt Berghaus博士所发明。后来在1960年代,Klockner集团采用了此一技术,等离子渗氮法也开始广为在世界各地使用。
等离子渗氮常会和物理气相沉积(PVD)制程结合,称为复合处理(Duplex Treatment),而且有增强性的效果。许多使用者会在最后一个步骤让工件表面有等离子氧化层,产生光滑的黑色氧化层,可以抗腐蚀及抗磨损。
等离子渗氮的氮离子是因为等离子而产生,和气体渗氮及盐浴渗氮不同,等离子渗氮的效率不受温度的影响。等离子渗氮的工作温度范围很广,从260 °C到超过600 °C的温度范围[5]。例如在中等温度(例如420 °C),可以对不锈钢进行渗氮,不会形成氮化铬的析出,因此可以维持不锈钢抗蚀的特性[6]。
在等离子渗氮制程中,一般会用氮气N2作为富含氮的介质。有时也会用氢气或是氩气等气体。在渗氮之前,可以在加热工件时用氢气或是氩气,清洁要渗氮的表面。此清洁程序可以有效的移除表面的氧化层,或是表面可能会残留的薄层溶剂。也有助于等离子制程的热稳定性,因为在预热工件时就已经有等离子进行加热,因此只要到达制程需要的温度,就可以开始进行渗氮,不会有太大的热能变化。在渗氮制程中也会加入氢气H2,使表面不会有氧化层。可以用分析渗氮工件的表面来检测此效果[7]。
适合渗氮的材料
容易渗氮的钢材包括有SAE 4100、4300、5100、6100、8600、8700、9300及9800系列,英国航空品质钢等级的BS 4S 106、BS 3S 132、905M39(EN41B)、不锈钢、部分工具钢(例如H13和P20)及部分的铸铁。理想上,适合渗氮的钢需在硬化及回火条件下,让渗氮时的温度比最后一次的回火温度要低,最好有表面处理。 在渗氮后应磨除少量表面,以维持其表面硬度。
适合渗氮的合金钢是钢中有些元素会和氮形成氮化物元素,这些元素有铝、铬、钼及钛。
历史
自从1920年代起,就开始有关氮对钢铁表面性质影响的系统性研究。德国和美国都有有关气体渗氮的研究。德国相当重视此一研究,想要针对许多等级的钢进行渗氮,即为所谓的渗氮钢(nitriding steel)。美国对渗氮的接受度不高。在第二次世界大战后,从欧洲重新引入此一技术。最近数十年有许多研究是在了解渗氮过程中的热力学以及动态机制。