一般常用的滲氮鋼有六種如下:
(1)含鋁元素的低合金鋼(標準滲氮鋼)
(2)含鉻元素的中碳低合金鋼 SAE 4100,4300,5100,6100,8600,8700,9800係。
(3)熱作模具鋼(含約5%之鉻) SAE H11 (SKD – 61)H12,H13
(4)鐵素體及馬氏體係不鏽鋼 SAE 400係
(5)奧氏體係不鏽鋼 SAE 300係
(6)析出硬化型不鏽鋼 17 - 4PH,17 – 7PH,A – 286等
含鋁的標準滲氮鋼,在氮化後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,其表麵亦有相當的耐磨性及耐束性。因此選用材料時,宜注意材料之特征,充分利用其優點,俾符合零件之功能。至於工具鋼如H11(SKD61)D2(SKD – 11),即有高表麵硬度及高心部強度。
增加鋼件的耐磨性、表麵硬度、疲勞極限和抗蝕能力。
滲氮前的零件表麵清洗:
大部分零件,可以使用氣體去油法去油後立刻滲氮。部分零件也需要用汽油清洗比較好,但在滲氮前之最後加工方法若采用拋光、研磨、磨光等,即可能產生阻礙滲氮的表麵層,致使滲氮後,氮化層不均勻或發生彎曲等缺陷。此時宜采用下列二種方法之一去除表麵層。第一種方法在滲氮前首先以氣體去油。然後使用氧化鋁粉將表麵作噴砂處理(abrasive cleaning) 。第二種方法即將表麵加以磷酸皮膜處理(phosphate coating)。
滲氮爐的排除空氣:
將被處理零件置於滲氮爐中,並將爐蓋密封後即可加熱,但加熱至150℃以前須作爐內排除空氣工作。
排除爐內的主要功用是防止氨氣分解時與空氣接觸而發生爆炸性氣體,及防止被處理物及支架的表麵氧化。其所使用的氣體即有氨氣及氮氣二種。
排除爐內空氣的要領如下:
①被處理零件裝妥後將爐蓋封好,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製設定在150℃並開始加熱(注意爐溫不能高於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的氮接觸而進行,但初生態氮的產生,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,並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
大部分的工業用滲氮爐皆具有熱交換機,以期在滲氮工作完成後加以急速冷卻加熱爐及被處理零件。即滲氮完成後,將加熱電源關閉,使爐溫降低約50℃,然後將氨的流量增加一倍後開始啟開熱交換機。此時須注意觀察接在排氣管上玻璃瓶中,是否有氣泡溢出,以確認爐內之正壓。等候導入爐中的氨氣安定後,即可減少氨的流量至保持爐中正壓為止。當爐溫下降至150℃以下時,即使用前麵所述之排除爐內氣體法,導入空氣或氮氣後方可啟開爐蓋。
氣體氮化於1923年由德國AF ry 所發表,將工件置於爐內,利NH3氣直接輸進500~550℃的氮化爐內,保持20~100小時,使NH3氣分解為原子狀態的(N)氣與(H)氣而進行滲氮處理,在使鋼的表麵產生耐磨、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℃時經熱分解如下:
NH3 →〔N〕Fe + 3/2 H2
經分解出來的N,隨而擴散進入鋼的表麵形成。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進行滲氮效率低,故一般均固定選用適用於氮化之鋼種,如含有Al,Cr,Mo等氮化元素,否則氮化幾無法進行,一般使用有JIS、SACM1新JIS、SACM645及SKD61以強韌化處理又稱調質因Al,Cr,Mo等皆為提高變態點溫度之元素,故淬火溫度高,回火溫度亦較普通之構造用合金鋼高,此乃在氮化溫度長時間加熱之間,發生回火脆性,故預先施以調質強韌化處理。NH3氣體氮化,因為時間長表麵粗糙,硬而較脆不易研磨,而且時間長不經濟,用於塑膠射出形機的送料管及螺旋杆的氮化。
液體軟氮化主要不同是在氮化層裏有Fe3Nε相,Fe4Nr相存在而不含Fe2Nξ相氮化物,ξ相化合物硬脆在氮化處理上是不良於韌性的氮化物,液體軟氮化的方法是將被處理工件,先除鏽,脫脂,預熱後再置於氮化坩堝內,坩堝內是以TF – 1為主鹽劑,被加溫到560~600℃處理數分至數小時,依工件所受外力負荷大小,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,滲透擴散至工作表麵,使工件表麵最外層化合物8~9%wt的N及少量的C及擴散層,氮原子擴散入α – Fe基地中使鋼件更具耐疲勞性,氮化期間由於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,氮化後的表麵硬度以含有 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,不鏽鋼Hv 1000~1200,氮化鋼Hv 800~1100。
液體軟氮化適用於耐磨及耐疲勞等汽車零件,縫衣機、照相機等如氣缸套處理,氣門閥處理、活塞筒處理及不易變形的模具處。