氮化製程詳解：定義、類型、特性

氮化是一種低溫熱化學處理方法，用於提高鋼製零件的表面硬度、耐磨性和疲勞強度。由於其加工溫度低，因此能確保優異的尺寸穩定性，使其成為精密零件（例如工具機主軸、曲軸和擠壓模具）的關鍵應用，這些零件需要高耐久性和最小變形。

什麼是氮化？

氮化是一種化學熱處理工藝，其中氮原子在一定溫度下滲入工件的表面層。

滲氮處理後，鋼製零件表面會形成一層氮化物層，該層具有極高的硬度（1000–1100 HV），即使在 600–650°C 的高溫下也能保持硬度不變，從而賦予零件優異的耐磨性和高溫硬度。滲氮處理後，氮化層的體積增大，在表面產生壓應力，顯著提高了疲勞強度。此外，較低的滲氮溫度也使得零件變形極小。滲氮表面形成緻密的氮化物層，具有很高的化學穩定性，使其在水、過熱蒸氣和鹼性溶液中均表現出良好的耐腐蝕性和穩定性。

氮化鋼包括 35CrAlA 和 38CrMoAlA。滲氮前，零件必須經過淬火和回火處理，以穩定芯部微觀結構並獲得良好的綜合力學性能，從而確保使用過程中尺寸變化最小，且滲氮後無需額外熱處理。

氮化處理主要應用於對疲勞強度、耐磨性和尺寸精度要求較高的機械零件，例如鏜床和磨床的主軸和軸套、蝸輪蝸桿以及柴油機曲軸。由於其優異的表面拋光性能和一定的耐腐蝕性，氮化處理也用於塑膠模具。

目前常用的滲氮方法主要包括氣體滲氮和等離子體滲氮。

氣體滲氮

氣體滲氮，又稱為氣體軟氮，是在預先抽空空氣的坑式爐中進行的。將脫脂清潔後的工件放入密封爐中加熱，並通入氨氣。氨氣在380℃以上分解，生成活性氮原子，反應如下：

2NH₃ → 3H₂ + 2[N]

活性氮原子被鋼表面吸收，形成固溶體和氮化物（例如氮化鋁）。隨著氮化時間的延長，氮原子逐漸向內擴散，最終形成一定深度的氮化層。

常用的滲氮溫度為550–570°C，滲氮時間取決於所需的滲氮層厚度。一般來說，滲氮層厚度為0.4–0.6毫米，需要40–70小時，因此氣體滲氮的生產週期相對較長。

氣體滲氮製程包括四個階段：氮化前準備、抽真空加熱、滲氮保溫和冷卻。為確保氮化過程順利，工件在裝料前必須以汽油或酒精進行脫脂處理。清潔後的表面必須無鏽蝕或污染物。對於無需滲氮的區域，可採取防滲措施，例如鍍錫、鍍銅或塗覆塗層。應避免接觸已滲氮的零件，因為鋒利的邊緣往往會形成更深、更脆的氮化層。滲氮後，取出零件時應小心輕放，避免碰撞；細長精密的零件應懸掛冷卻，以防止變形和產生新的應力。

由於氨分解效率低，氣體滲氮通常適用於含鋁、鉻、鉬等元素的鋼材的氮化。它主要用於對耐磨性和尺寸精度要求高的精密零件、承受交變載荷的重要零件以及耐熱耐磨部件，例如鏜床主軸、高速精密齒輪、高速柴油機曲軸、閥門和壓鑄模具。

等離子氮

等離子氮化是在一定的真空度下，利用工件（陰極）和陽極之間的輝光放電現象進行的，因此也稱為輝光放電等離子體氮化。

圖片來源： ScienceDirect

金屬工件作為陰極置於裝有含氮介質的負壓容器中。通電後，介質中的氮原子被電離，在陰極和陽極之間形成等離子體區域。在等離子體區域的強電場作用下，帶正電荷的氮離子和氫離子會高速轟擊工件表面。這種離子轟擊導致表面原子濺射，從而淨化工件，同時氮原子透過吸附和擴散滲入工件表面。

與傳統氣體氮化相比，等離子氮化具有以下優點：

• 適當縮短滲氮循環時間。
• 氮化層脆性降低。
• 節約能源和氨氣消耗。
• 能夠屏蔽不需要滲氮處理的局部區域。
• 離子轟擊表面淨化可去除鈍化膜，從而可以直接對不銹鋼和耐熱鋼進行氮化。
• 可控制氮化層厚度和微觀結構。

缺點包括設備投資高、溫度分佈不均勻、操作要求嚴格。

等離子氮化適用於需要耐磨性和耐腐蝕性的輕載高速零件，以及高精度細長桿狀零件，如鏜床主軸、精密工具機螺桿、閥桿和閥門。

用於氮化的鋼材

為了在鋼表面獲得高硬度、高耐磨的氮化層，必須使用含有特定合金元素的合金鋼進行氮化處理。這是因為某些合金元素形成的氮化物比鐵氮化物穩定得多，並且在氮化層中分佈均勻，從而獲得極高的硬度。

常用合金元素包括鋁、鉻、釩、鉬、錳和鎢。最常用的氮化鋼是38CrMoAl和35CrAl，在氮化後具有極高的表面硬度和耐磨性。用於提高疲勞強度的鋼材包括38CrA、40CrNiMoA和18Cr2Ni4WA；不鏽鋼包括45Cr14Ni14W2Mo和Cr10Si2Mn；模具鋼包括3Cr2W8V；彈簧鋼包括50CrVA。

氮化前的預熱處理

氮化工件的典型加工路線為：鍛造→退火（或正火+高溫回火）→粗加工→淬火與回火→半精加工→消除應力→精加工→氮化→最終磨削或拋光。

從路線可以看出，滲氮前的預熱處理包括退火（或正火+高溫回火）、淬火和回火以及壓力消除。

這些步驟為滲氮處理做準備，因為工件在滲氮後通常不再進行進一步加工。

退火和正火可以細化微觀結構，提高可加工性，消除內應力，並為淬火和回火做好準備。

淬火和回火

淬火和回火是至關重要的預處理熱處理步驟，旨在獲得均勻細小的索氏體組織。這不僅能確保芯部具有良好的綜合機械性能，也能為滲氮處理提供必要的微觀組織。

淬火和回火參數對滲氮品質有顯著影響。對於38CrMoAlA鋼，臨界溫度較高：Ac1 = 790°C，Ac3 = 900°C，Ar1 = 740°C。此外，鋁能穩定鐵素體，使其在加熱過程中更難溶解於奧氏體中，因此正火和淬火溫度應提高，保溫時間約為一般合金結構鋼的1.5倍。

如果淬火溫度過低或保溫時間不足，導致奧氏體中鐵素體溶解不完全，在滲氮過程中表面殘留的遊離鐵素體將顯著增加滲氮層的脆性。相反，淬火溫度過高會使奧氏體晶粒粗化，導致氮化物優先沿晶界擴展，從而在氮化層中形成明顯的波狀或網狀結構。

回火 溫度對滲氮品質也有顯著影響。它決定了淬火和回火後的硬度：較高的回火溫度會降低硬度，減少基體中碳化物的彌散，促進滲氮過程中氮的滲入，提高滲氮速率，並加深滲氮層。隨著回火溫度的升高，滲氮層硬度降低，芯部硬度略為下降。

對於形狀複雜的工件，需要進行應力消除退火以消除加工引起的應力，並減少氮化過程中的變形。為避免降低淬火回火後的硬度，應力消除溫度應比回火溫度低40～70℃，並適當延長保溫時間，然後在退火前緩慢冷卻至150℃以下。

表1：氣體氮化預熱處理工藝

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