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滲氮

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現代化的加溫爐,可以進行金屬滲氮

滲氮(Nitriding)也稱為氮化,是金屬热处理製程,將扩散到金屬表面,以形成硬化的表面.滲氮製程最常用在低碳鋼、低合金鋼上,也會用在中碳鋼或高碳鋼、含等合金鋼上。2015年時,已用滲氮來產生獨特的二元微結構英语microstructure马氏体-奥氏体奥氏体-肥粒鐵),這些結構具有強化的機械性質 [1]

典型的齿轮曲轴凸轮轴凸輪從動件英语cam follower閥門擠型螺絲、壓鑄工具、鍛造模具、擠壓、消防設備、塑膠模塑工具[2]

製程[编辑]

滲氮製程是依照加氮的介質來命名。主要可以分為三種:氣體滲氮、鹽浴滲氮及電漿滲氮。

氣體滲氮[编辑]

氣體滲氮的加氮介質是富含氮的氣體,多半是(NH3),因此有時也稱為氨滲氮(ammonia nitriding)[3]。氨和加熱的工件表面接觸時,氨會分解為氮及氫。氮會滲透到工件表層,形成氮化層。在一世紀之前就已有此一製程,但最近數十年才比較多的探討其中的熱力學及反應動力學。近來的研究已產生可以準確控制的製程。可以選擇氮化層的厚度,以及其中的相組成,也可以針對所需要的特殊性質進行製程的最佳化。

氣體滲氮的優點有:

  • 透過控制外圍含氮氣體中,氮氣及氧氣的流率,可以確準的控制氮氣的化學能。
  • 所有表面都有滲氮的效果(相較於電漿滲氮,但可能會是缺點)
  • 可以大批量的製程。限制因素是氣化爐的尺寸以及氣體流率
  • 透過現代電腦化的控制含氮氣體,可以精密控制滲氮的效果
  • 設備成本較低(尤其是和電漿滲氮比較)

氣體滲氮的缺點有:

  • 其反應動力學會大幅受到表面條件的影響:若表面有油,或是被切削液污染,滲氮效果就會很差。
  • 若是處理高含鉻的鋼,有時需要表面活化(surface activation),可以和電漿滲氮中的濺鍍(sputtering)相比較。
  • 作為滲氮介質的氨:雖然沒有毒性,但若大量吸入氣體,仍然會造成傷害。而且在加熱時,若其中含有氧氣,需謹慎處理,以降低爆炸的風險。

鹽浴滲氮[编辑]

鹽浴滲氮的富氮介質是含氮的鹽類,例如氮化物。這種鹽也會釋放碳到工件的表面,因此也是滲氮碳化。在滲氮碳化使用的溫度約是550至570 °C。鹽浴滲氮的好處是相較於其他方式,此方式可以在相同時間內有較高的滲透量。

鹽浴滲氮的優點有:

  • 處理快速:大約四小時即可完成。
  • 程序簡單:讓鹽浴的鹽淹沒工件,加熱到一定時間即可。nspired.

缺點是:

  • 鹽浴的鹽有高毒性。西方國家對於鹽浴鹽的棄置有嚴格的環境法律要求,因此增加了鹽浴的成本。這也是這數十年來已不再使用鹽浴的原因。
  • 每一種特定種類的鹽只適合用於一種製程,因為氮的活性是由鹽類決定的,只適合一種製程。

電漿滲氮[编辑]

電漿滲氮也稱為離子滲氮、電漿離子滲氮、輝光放電滲氮,是工業上針對金屬材料進行表面硬化的方式。

在電漿滲氮時,氮介質的反應能力不是由溫度決定,而是由氣體的離子態決定。此技術中會用高電場使要氮化工件表面的氣體產生離子化的分子。這種高反應性的氣體伴隨著離子化的分子,稱為電漿,此製程因此稱為電漿滲氮。電漿滲氮用的氣體一般是純氮氣,因此不需要自發性的分解(像使用氨的氣體滲氮就需要分解)。有用電漿炬產生的熱電漿,用在金屬切割、焊接金屬包覆英语Cladding (metalworking)及噴塗上。也有在真空腔體或是低压强條件產生的冷電漿。

鋼在電漿滲氮的效果最好。此製程可以針對滲氮的微結構進行精細的控制,可以讓滲氮產生化合物層,或是不要化合物層。不但強化下了金屬部份的性能,也增加了工件的壽命、應力限及疲勞強度。例如沃斯田鋼不锈鋼的機械性質(例如耐磨程度)可以顯著提昇,工具鋼的表面硬度也可以加倍[4][5]

電漿滲氮後的工件一般就可以使用了,不需加工或是其他滲氮後的製程。此製程對使用者很友善,作業很快,節省能源,而且變形量不大,或甚至不會變形。

此製程是由德國的Bernhardt Berghaus博士所發明。後來在1960年代,Klockner集團採用了此一技術,電漿滲氮法也開始廣為在世界各地使用。

電漿滲氮常會和物理气相沉积(PVD)製程結合,稱為複合處理(Duplex Treatment),而且有增強性的效果。許多使用者會在最後一個步驟讓工件表面有電漿氧化層,產生光滑的黑色氧化層,可以抗腐蝕及抗磨損。

電漿滲氮的氮離子是因為電漿而產生,和氣體滲氮及鹽浴滲氮不同,電漿滲氮的效率不受溫度的影響。電漿滲氮的工作溫度範圍很廣,從260 °C到超過600 °C的溫度範圍[5]。例如在中等溫度(例如420 °C),可以對不锈鋼進行滲氮,不會形成氮化鉻英语chromium nitride的析出,因此可以維持不锈鋼抗蝕的特性[6]

在電漿滲氮製程中,一般會用氮氣N2作為富含氮的介質。有時也會用氫氣或是氬氣等氣體。在滲氮之前,可以在加熱工件時用氫氣或是氬氣,清潔要滲氮的表面。此清潔程序可以有效的移除表面的氧化層,或是表面可能會殘留的薄層溶劑。也有助於電漿製程的熱穩定性,因為在預熱工件時就已經有電漿進行加熱,因此只要到達製程需要的溫度,就可以開始進行滲氮,不會有太大的熱能變化。在滲氮製程中也會加入氫氣H2,使表面不會有氧化層。可以用分析滲氮工件的表面來檢測此效果[7]

適合滲氮的材料[编辑]

容易滲氮的鋼材包括有SAE英语SAE steel grades 4100英语41xx steel、4300、5100、6100、8600、8700、9300及9800系列,英國航空品質鋼等級的BS 4S 106、BS 3S 132、905M39(EN41B)、不锈鋼、部份工具鋼(例如H13和P20)及部份的鑄鐵。理想上,適合滲氮的鋼需在硬化及回火條件下,讓滲氮時的溫度比最後一次的回火溫度要低,最好有表面處理。 在滲氮後應磨除少量表面,以維持其表面硬度。

適合滲氮的合金鋼是鋼中有些元素會和氮形成氮化物元素,這些元素有鋁、、鉬及鈦。

歷史[编辑]

自從1920年代起,就開始有關氮對鋼鐵表面性質影響的系統性研究。德國和美國都有有關氣體滲氮的研究。德國相當重視此一研究,想要針對許多等級的鋼進行滲氮,即為所謂的滲氮鋼(nitriding steel)。美國對滲氮的接受度不高,由於需求很少,在美國也已遺忘此一技術。在第二次世界大戰後,歐洲重新引入此一技術。最近數十年有許多研究是在瞭解滲氮過程中的熱力學以及動態機制。

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ 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. 
  2. ^ 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 
  3. ^ Ion Nitriding and Nitrocarburizing of Sintered PM Parts, October 7, 2004
  4. ^ 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. ^ 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. 
  6. ^ 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. 
  7. ^ 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. 

延伸閱讀[编辑]

外部連結[编辑]