渗氮
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]。
典型的齿轮、曲轴、凸轮轴、凸轮从动件、阀门、挤型螺丝、压铸工具、锻造模具、挤压、消防设备、塑胶模塑工具[2]。
制程
[编辑]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
[编辑]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
[编辑]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
[编辑]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
[编辑]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
[编辑]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。
相关条目
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ Meka, S.R.; Chauhan, A.; Steiner, T.; Bischoff, E.; Ghosh, P.K.; Mittemeijer, E.J. Generating duplex microstructures by nitriding; nitriding of iron based Fe–Mn alloy. Materials Science and Technology. 2015: 1743284715Y.000. doi:10.1179/1743284715Y.0000000098.
- ^ Kunst, Helmut; Haase, Brigitte; Malloy, James C.; Wittel, Klaus; Nestler, Montia C., Metals, Surface Treatment, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim: Wiley-VCH, 2005
- ^ Ion Nitriding and Nitrocarburizing of Sintered PM Parts （页面存档备份，存于互联网档案馆）, October 7, 2004
- ^ Menthe, E; Bulak, A; Olfe, J; Zimmermann, A; Rie, KT. Improvement of the mechanical properties of austenitic stainless steel after plasma nitriding. Surface and Coatings Technology. 2000, 133 (1): 259. doi:10.1016/S0257-8972(00)00930-0.
- ^ 5.0 5.1 Zagonel, L; Figueroa, C; Droppajr, R; Alvarez, F. Influence of the process temperature on the steel microstructure and hardening in pulsed plasma nitriding. Surface and Coatings Technology. 2006, 201 (1-2): 452. doi:10.1016/j.surfcoat.2005.11.137.
- ^ Larisch, B; Brusky, U; Spies, HJ. Plasma nitriding of stainless steels at low temperatures. Surface and Coatings Technology. 1999, 116: 205. doi:10.1016/S0257-8972(99)00084-5.
- ^ Zagonel, L; Figueroa, C; Alvarez, F. In situ photoemission electron spectroscopy study of nitrogen ion implanted AISI-H13 steel. Surface and Coatings Technology. 2005, 200 (7): 2566. arXiv:1712.01483
. doi:10.1016/j.surfcoat.2004.10.126.
延伸阅读
[编辑]- Chatterjee-Fischer, Ruth. Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen: Nitrieren und Nitrocarburieren [Heat treatment of ferrous materials: nitriding and nitrocarburising] 2nd. Expert-Verlag. 1995. ISBN 3-8169-1092-0 （德语）.
- Chattopadhyay, Ramnarayan. Plasma Nitriding. Advanced Thermally Assisted Surface Engineering Processes. Berlin: Springer. 2004: 90–94. ISBN 1-4020-7696-7.
- Pye, David. Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing. ASM太平洋. 2003. ISBN 978-0871707918.
外部链接
[编辑]- MIL-S-6090A, Military Specification: Process for Steels Used In Aircraft Carburizing and Nitriding. United States Department of Defense. 7 Jun 1971 [2020-02-29]. （原始内容存档于2019-08-29）.
- An Introduction to Nitriding （页面存档备份，存于互联网档案馆）
