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    氮化材料知多少

    滲氮是在合適的溫度(450-600℃)下將金屬置于含氮介質中,將氮原子滲入鐵合金表面而實現的表面硬化技術。氮化工藝覆蓋的鋼種很寬,幾乎所有的鋼牌號到鑄鐵都可以用得上。但不同材料氮化后的性能又千差萬別,本文對常見氮化材料進行分類并對其氮化特性作一個簡單的介紹。


    中低碳鋼

    典型材料為SPCC、08F、10鋼和45鋼等。

    中低碳鋼中由于沒有生成合金氮化物的合金元素,其氮化后表面硬度并不高。以低碳鋼為例,一般氮化后表面硬度為200HV左右,但經氮碳共滲后根據氣氛種類和處理溫度的不同其表面硬度一般可達300-600HV,其表面也較容易獲得10-25um厚的白亮層。故對中低碳鋼而言,一般不單純只作滲氮處理而是采用氮碳共滲。


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    SPCC經氮碳共滲處理


    普通合金鋼

    典型材料為Cr-Mo系和Cr-Mo-V系等滲氮鋼。

    由于Cr、Mo、V等合金元素的加入,使得這類滲氮鋼具有優異的力學性能和更好的工藝性,廣泛適用于對表面硬度要求不太高(≤850HV),耐磨性和抗沖擊性能更高的場合。

    需要注意的是,對常用的合金元素來說,Ni是非氮化物形成元素。這也是有些爐子廠家在設計氮化爐時采用Inconel600作為爐罐材質的原因之一,其高鎳的化學成分避免了爐罐對NH3的催化裂解作用。


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    31CrMoV9無白層氮化


    模具鋼


    典型材料為4Cr5MoSiV1等。

    4Cr5MoSiV1鋼(相當于美國AISI H13鋼)是國際上廣泛應用的一種熱作模具鋼。為了適當提高模具的抗磨損能力及提高鋁合金壓鑄模的抗黏附性能力,常對模具施行滲氮或氮碳共滲處理。由于合金元素含量較高,一方面對氮化后表面硬度的提高較為顯著,一般可達1000HV以上,但同時合金元素對氮擴散阻礙作用較大,一般白層厚度不超過10um,氮化層深一般不超過0.3mm。


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    H13氣體滲氮


    工具鋼

    典型材料為6542、DC53等。

    一般用作高速鋼刀具、鉆頭以及搓絲用模。鋼中含有大量與氮有親和力的合金元素,滲氮后表面硬度和耐磨性都明顯提高。但是滲氮時間過長,就會在表面出現化合物層并在擴散層中出現大量網狀氮化物,使得滲層脆性變得很大,導致刀具或模具崩刃、崩牙。故這類材料一般用作短時無白層滲氮工藝,滲氮層總深度控制在0.02-0.1mm范圍內。


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    DC53短時氮化

    不銹鋼


    型材料1Cr13、2Cr13、3Cr13、304等。

    銹鋼滲氮目前有兩大難點:其一,不銹鋼的Cr、Ni等元素與氧形成的鈍化膜,如未在滲氮前將其去除則它們將有力地阻止氮化過程。故不銹鋼氮化首先要進行破膜工序。其二,常規不銹鋼氮化后將析出CrN相,由于CrN的電極電位比Cr的電極電位要低,故不銹鋼氮化后其耐蝕性能會有所降低。故近些年興起的低溫不銹鋼氮化技術,經低溫(<450℃)滲氮處理,避免了CrN相的析出,在表層主要形成S相,合金表面的硬度高,而且具有很高的抗點蝕和抗縫隙腐蝕性能。


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    316鋼低溫滲氮后表面S相


    鑄鐵


    型材料QT500、QT600、HT200 、HT250等。

    由于鑄鐵中C、Si的含量較高,氮擴散阻力較大,一般只做軟氮化。要達到與鋼同樣的滲氮層濃度,滲氮時間需乘以1.5-2的系數。鑄鐵中含有較高含量的Si而生成Si3N4提高其硬度,一般軟氮化后的表面硬度為500-700HV。由于鑄鐵基體存在大量的片狀、球狀石墨,導致軟氮化后表面得不到連續白亮層,其耐蝕性要差于普通鋼軟氮化。


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    球墨鑄鐵白亮層被石墨隔開


    無論是滲氮還是氮碳共滲,均需對氮勢進行精確的測量和控制。對精密可控滲氮而言,能對合金鋼、滲氮鋼的白亮層厚度進行控制,達到AMS2759/10A規定的0類和1類標準。對精密可控氮碳共滲而言,能對碳鋼、合金鋼和鑄鐵白層的疏松進行控制,達到AMS2759/12A規定的1類標準。


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    自動流量補償型氮控系統



    武漢華敏自主研發的智能氮勢控制系統無論是在合金鋼的無白層氮化或氮碳共滲白亮層疏松的控制積累了大量的經驗并在客戶現場均有已實施的案例可供參考,可提供氮化工藝的整體解決方案。



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