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一般常用的滲氮鋼有六種如下:
(1)含鋁元素的低合金鋼(標(biāo)準(zhǔn)滲氮鋼)
(2)含鉻元素的中碳低合金鋼 SAE 4100,4300,5100,6100,8600,8700,9800系。
(3)熱作模具鋼(含約5%之鉻) SAE H11 (SKD – 61)H12,H13
(4)鐵素體及馬氏體系不銹鋼 SAE 400系
(5)奧氏體系不銹鋼 SAE 300系
(6)析出硬化型不銹鋼 17 - 4PH,17 – 7PH,A – 286等
含鋁的標(biāo)準(zhǔn)滲氮鋼,在氮化后雖可得到很高的硬度及高耐磨的表層,但其硬化層亦很脆。相反的,含鉻的低合金鋼硬度較低,但硬化層即比較有韌性,其表面亦有相當(dāng)?shù)哪湍バ约澳褪浴R虼诉x用材料時,宜注意材料之特征,充分利用其優(yōu)點,俾符合零件之功能。至于工具鋼如H11(SKD61)D2(SKD – 11),即有高表面硬度及高心部強(qiáng)度。
增加鋼件的耐磨性、表面硬度、疲勞極限和抗蝕能力。
滲氮前的零件表面清洗:
大部分零件,可以使用氣體去油法去油后立刻滲氮。部分零件也需要用汽油清洗比較好,但在滲氮前之最后加工方法若采用拋光、研磨、磨光等,即可能產(chǎn)生阻礙滲氮的表面層,致使?jié)B氮后,氮化層不均勻或發(fā)生彎曲等缺陷。此時宜采用下列二種方法之一去除表面層。第一種方法在滲氮前首先以氣體去油。然后使用氧化鋁粉將表面作噴砂處理(abrasive cleaning) 。第二種方法即將表面加以磷酸皮膜處理(phosphate coating)。
滲氮爐的排除空氣:
將被處理零件置于滲氮爐中,并將爐蓋密封后即可加熱,但加熱至150℃以前須作爐內(nèi)排除空氣工作。
排除爐內(nèi)的主要功用是防止氨氣分解時與空氣接觸而發(fā)生爆炸性氣體,及防止被處理物及支架的表面氧化。其所使用的氣體即有氨氣及氮氣二種。
排除爐內(nèi)空氣的要領(lǐng)如下:
①被處理零件裝妥后將爐蓋封好,開始通無水氨氣,其流量盡量可能多。
②將加熱爐之自動溫度控制設(shè)定在150℃并開始加熱(注意爐溫不能高于150℃)。
③爐中之空氣排除至10%以下,或排出之氣體含90%以上之NH3時,再將爐溫升高至滲氮溫度。
氨的分解率
滲氮是及其他合金元素與初生態(tài)的氮接觸而進(jìn)行,但初生態(tài)氮的產(chǎn)生,即因氨氣與加熱中的鋼料接觸時鋼料本身成為觸媒而促進(jìn)氨之分解。
雖然在各種分解率的氨氣下,皆可滲氮,但一般皆采用15~30%的分解率,并按滲氮所需厚度至少保持4~10小時,處理溫度即保持在520℃左右。
冷卻
大部分的工業(yè)用滲氮爐皆具有熱交換機(jī),以期在滲氮工作完成后加以急速冷卻加熱爐及被處理零件。即滲氮完成后,將加熱電源關(guān)閉,使?fàn)t溫降低約50℃,然后將氨的流量增加一倍后開始啟開熱交換機(jī)。此時須注意觀察接在排氣管上玻璃瓶中,是否有氣泡溢出,以確認(rèn)爐內(nèi)之正壓。等候?qū)霠t中的氨氣安定后,即可減少氨的流量至保持爐中正壓為止。當(dāng)爐溫下降至150℃以下時,即使用前面所述之排除爐內(nèi)氣體法,導(dǎo)入空氣或氮氣后方可啟開爐蓋。
氣體氮化于1923年由德國AF ry 所發(fā)表,將工件置于爐內(nèi),利NH3氣直接輸進(jìn)500~550℃的氮化爐內(nèi),保持20~100小時,使NH3氣分解為原子狀態(tài)的(N)氣與(H)氣而進(jìn)行滲氮處理,在使鋼的表面產(chǎn)生耐磨、耐腐蝕之化合物層為主要目的,其厚度約為0.02~0.02m/m,其性質(zhì)極硬Hv 1000~1200,又極脆,NH3之分解率視流量的大小與溫度的高低而有所改變,流量愈大則分解度愈低,流量愈小則分解率愈高,溫度愈高分解率愈高,溫度愈低分解率亦愈低,NH3氣在570℃時經(jīng)熱分解如下:
NH3 →〔N〕Fe + 3/2 H2
經(jīng)分解出來的N,隨而擴(kuò)散進(jìn)入鋼的表面形成。相的Fe2 - 3N氣體滲氮,一般缺點為硬化層薄而氮化處理時間長。
氣體氮化因分解NH3進(jìn)行滲氮效率低,故一般均固定選用適用于氮化之鋼種,如含有Al,Cr,Mo等氮化元素,否則氮化幾無法進(jìn)行,一般使用有JIS、SACM1新JIS、SACM645及SKD61以強(qiáng)韌化處理又稱調(diào)質(zhì)因Al,Cr,Mo等皆為提高變態(tài)點溫度之元素,故淬火溫度高,回火溫度亦較普通之構(gòu)造用合金鋼高,此乃在氮化溫度長時間加熱之間,發(fā)生回火脆性,故預(yù)先施以調(diào)質(zhì)強(qiáng)韌化處理。NH3氣體氮化,因為時間長表面粗糙,硬而較脆不易研磨,而且時間長不經(jīng)濟(jì),用于塑膠射出形機(jī)的送料管及螺旋桿的氮化。
液體軟氮化主要不同是在氮化層里有Fe3Nε相,F(xiàn)e4Nr相存在而不含F(xiàn)e2Nξ相氮化物,ξ相化合物硬脆在氮化處理上是不良于韌性的氮化物,液體軟氮化的方法是將被處理工件,先除銹,脫脂,預(yù)熱后再置于氮化坩堝內(nèi),坩堝內(nèi)是以TF – 1為主鹽劑,被加溫到560~600℃處理數(shù)分至數(shù)小時,依工件所受外力負(fù)荷大小,而決定氮化層深度,在處理中,必須在坩堝底部通入一支空氣管以一定量之空氣氮化鹽劑分解為CN或CNO,滲透擴(kuò)散至工作表面,使工件表面最外層化合物8~9%wt的N及少量的C及擴(kuò)散層,氮原子擴(kuò)散入α – Fe基地中使鋼件更具耐疲勞性,氮化期間由于CNO之分解消耗,所以不斷要在6~8小時處理中化驗鹽劑成份,以便調(diào)整空氣量或加入新的鹽劑。
液體軟氮化處理用的材料為鐵金屬,氮化后的表面硬度以含有 Al,Cr,Mo,Ti元素者硬度較高,而其含金量愈多而氮化深度愈淺,如炭素鋼Hv 350~650,不銹鋼Hv 1000~1200,氮化鋼Hv 800~1100。
液體軟氮化適用于耐磨及耐疲勞等汽車零件,縫衣機(jī)、照相機(jī)等如氣缸套處理,氣門閥處理、活塞筒處理及不易變形的模具處。
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