最新的氮化法─低压氮化

     本文所介绍的最新氮化法是在约300 mb工作压力下，加入（氮化气体）、（笑气、当触媒）、（稀释剂）进行氮化，亦可再加入（供给碳）进行软氮化。低压氮化法速度快、氮化层组织可选择为纯扩散层或为致密白层，可氮化深孔狭缝，工作表面洁净，量产性佳，省气体能源，作业环境优良，应用广泛，对滚轮、耐磨耗零件、铝挤型模、塑料模具及锻造模具等都有很好的处理效果。一、前言　　低压氮化亦称为真空氮化，系一种在真空炉内或减压状态下（约300 mb左右）进行的气体氮化或气体软氮化处理，可使工件表面得到较高硬度之氮化层，增加工{TodayHot}件表面压缩压力，以提高其耐磨耗性及耐疲劳性。处理温度与一般气体氮化温度相近，即约在400～600℃左右。二、原理　　根据Henri Michel的研究：氮在不同组织中有不同的扩散速度，其中为氮在ε相中的扩散速度为氮在相中的扩散速度为氮在α相中的扩散速度　　所以　　　　　　亦即为提高氮化速度，必需在氮化过程中延缓化合物层（以相及ε相为主）的形成，而尽量维持在α相，直到扩散深度足够后再视需要产生化合物层。　　低压氮化技术是法国HIT热处理集团中所属的研究发中心INNOVATIQUE最近开发出来的新技术，他们称之为NITRAL制程。使用的气体称之为ALNAT，包括：1.：氮化气体。2.：笑气，做为触媒、催化剂。3.：稀释剂（也可用含5～7％之混合气），降低氮势。4.：甲烷，供给碳以便进行软氮化（CARBONITRAL）。　　化学反应如下：　　　　　　　　　 (1)　　Nα是在氨裂解出来的初生态氮，亦为扩散进入工件表面的主角。　　上反应式(1)在常压时呈平衡状态，在低压时则往右反应，有较高的氮势，所以氮化速度快。　　 (2)　　可使工件表面氧化如式(2)，并促进裂解，如式(3)　　 (3)　　此后，即可自行裂解出初生态氮Nα，进行氮化作用，扩散进入工件表面。三、制程　　在进行低压氮化之前，工件应先做好前处理。清洗工件：工件表面不要有油污或氧化物。 工件安置：尽量均匀分布以使气体容易流通，效果较佳，但随意成堆安置亦可处理。 防氮处理：可使用防氮漆（CONDURSAL N523）涂在不欲氮化之表{HotTag}面。 　　典型的低压氮化制程如下：抽真空（VACUUM） 　抽至 mbar　历时约10～15分钟对流加热（CONVECTION HEATING） 　加100％或混合气（5～7％）　压力800mbar　氮气是很好的热传介质，此阶段可使工件温度均匀。排气（PURGE） 　抽至 mbar　历时约15～20分钟　此阶段可使工件表面之污染物完全抽掉。去钝化（DEPASSIVATION） 　加100％或100％　压力300 mbar　此阶段时间与去除钢铁表面钝化膜时间有关。排气（PURGE） 　抽至 mbar　历时约10～15分钟　此阶段旨在抽掉去钝化气体，以免影响氮化气氛。低压氮化（LP NITRIDING） 　加入及所需之处理气体。　处理压力300 mbar　处理温度510～570℃，视工件回火温度而定（低于回火温度30℃即可）。　氮化过程分段实施，逐次以稀释，降低氮势，在不产生白层的情况下得到最快的氮化速度及氮化深度。7.排气（PURGE）　抽至 mbar　历时约15～20分钟　此阶段排气可使工件冷却过程中表面不致被氧化，打开炉门取出工件时亦不会有大量氨气臭味。8.冷却（COOLING）　加入或混合气（5％ max.）　处理压力850 mbar　冷却至室温（60℃以下）　　低压氮化处理制程如图1所示。　图1　低压氮化处理制程示意图　　　如前所述，在 mbar真空下加热至500℃以上时，钢铁表面的及将转化为稳态的氮化物而升华，随之被抽去，表面吸附的其它气体和粘附物（如清洗剂等）也将脱附而被排出炉外，表面活性大为提高，促进了对氮化过程中活性氮原子Nα的吸收，加速氮化反应。此外，真空中可减少氮化气氛中的有害物质，净化炉内气氛，并可提高氮势，约比普通气体氮化的炉内气氛氮势提高40％左右，因在低压下分解的分子数少，加之间歇抽气，有效地阻止在工件表面形成吸附层，促进了分子与工件表面的碰撞，加快氮化过程，即使在较高的温度下，炉气仍有很强的氮化能力。目前常用的氮化法有气体氮化、盐浴氮化及离子氮化，加上最新发展出来的低压氮化，各有其特性、优点及限制，兹简单比较如表1所示。　　项目优　　点限　　制气体氮化 ‧简单易做 ‧可整体处理（混载）氮化层选择不易 白层有微细孔洞，不致密有排放气体消耗大局部氮化困难不能氮化不锈钢及钛合金盐浴氮化 ‧氮化速度快 ‧处理均匀氮化层选择不易 白层疏松、不致密局部氮化不易工作须缚紧，准备费时处理后需清洗工作作业环境不佳能源消耗大盐浴成本高不符环保生态不能氮化钛合金离子氮化 ‧氮化层组织可选择 ‧气体消耗低、省能源‧白层致密‧工件表面清净‧作业环境佳‧氮化速度快‧局部氮化容易无公害，符合环保生态可氮化不锈钢及钛合金工件需适当摆置，准备费时 深孔狭缝氮化困难有中空阴极效应（hollow cathode effect）可能产生弧击（arcing）均温性不佳低压氮化 可选用适当的氮化组织 ‧氮化速度快‧白层致密‧可氮化深孔狭缝‧可整体氮化处理（混载）‧工件表面洁净‧符合环保生态‧气体消耗低‧真空制程弹性大‧可氮化不锈钢及钛合金‧处理温度均匀有排放 局部氮化较困难表1　各种氮化法比较　五、结论　　由于低压氮化所得之氮化层致密，硬度分布之梯度平缓，故较不易有缺陷剥离。而且复杂形状、深孔、狭缝中都可得均匀的硬化层，完全为没有白层的纯扩散层也很容易得到，故对于压铸模具、锻造模具、铝挤型模以及喷嘴、滚轮、引击汽缸等耐磨耗、耐疲劳工件都十分适用，是一项颇具发展潜力与蕴藏商机的新技术

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