软氮化
时间：2024-12-03 09:40:56 点击次数：
软氮化是一种化学热处理工艺，主要用于提高金属零件的表面性能。
一、软氮化的原理
软氮化是在含有活性氮、碳原子的介质中，在低于渗碳温度下进行的化学热处理过程。它以渗氮为主，同时也有少量的渗碳。在处理过程中，氮原子在零件表面形成氮化层，氮原子会渗入金属表面并与铁及合金元素形成各种氮化物，如氮化铁（Fe₄N、Fe₃N 等）。这些氮化物弥散分布在金属的表层，使零件表面的硬度、耐磨性、抗咬合性和抗蚀性等性能得到显著提高。
二、软氮化的工艺过程
- 预处理
- 零件在进行软氮化之前，需要进行彻底的清洗和脱脂处理。这是因为零件表面的油污、铁锈等杂质会影响氮原子的渗入效果。通常采用有机溶剂清洗、酸洗或碱洗等方法来清除这些杂质。例如，对于钢铁零件，可以用汽油或三氯乙烯等有机溶剂去除油污，然后用稀盐酸酸洗去除铁锈。
- 有时候还需要对零件进行机械加工，保证其表面粗糙度达到软氮化工艺的要求，一般要求表面粗糙度 Ra 值在 0.8 - 3.2μm 之间，这样有利于氮原子的吸附和扩散。
- 装炉
- 将预处理好的零件装入软氮化炉中。软氮化炉可以是井式炉、箱式炉等。在装炉时，要注意零件的摆放，保证炉内气体能够均匀地环绕零件，使渗层均匀。例如，对于形状复杂的零件，要避免相互堆叠，尽量采用合适的夹具将零件分开，以确保各个表面都能与渗氮介质充分接触。
- 软氮化处理
- 气体软氮化是比较常用的方法，常用的气体介质有氨气（NH₃）和吸热式气体（如以天然气或丙烷为原料制备的气体）。氨气在高温下分解产生氮原子，吸热式气体提供活性碳原子。在软氮化过程中，通过控制气体的流量、炉内压力和温度等参数来控制渗层的质量。
- 液体软氮化主要是利用盐浴进行处理。盐浴的成分一般包括氰酸盐、碳酸盐等。零件在盐浴中浸泡时，氰酸盐分解产生氮原子和碳原子，渗入零件表面。不过液体软氮化后的零件需要进行严格的清洗，以去除表面残留的盐浴成分。
- 固体软氮化是将零件埋入含有供氮剂（如尿素）和活化剂的固体介质中，在加热过程中，供氮剂分解产生氮原子并渗入零件表面。这种方法操作相对复杂，应用不如气体和液体软氮化广泛。
- 软氮化的温度一般在 520 - 590℃之间。这个温度范围低于传统渗碳温度，有利于减少零件的变形。处理时间根据零件的材料、尺寸和性能要求等因素而定，一般在 1 - 6 小时之间。
- 软氮化所采用的介质主要有气体、液体和固体三种。
- 冷却和后处理
- 软氮化处理完成后，零件需要缓慢冷却，以防止产生过大的热应力。一般采用随炉冷却或在保护气氛下冷却的方式。
- 冷却后的零件可能需要进行一些后处理，如研磨、抛光等，以达到最终的尺寸精度和表面质量要求。同时，对于液体软氮化的零件，还需要进行彻底的清洗和防锈处理。
三、软氮化的应用范围
- 机械制造领域
- 在模具制造中，软氮化可以提高模具的耐磨性和抗粘附性。例如，压铸模具经过软氮化处理后，能够有效防止铝合金等金属液对模具表面的冲刷和粘附，从而延长模具的使用寿命。
- 对于一些要求高精度的机械零件，如机床的主轴、丝杠等，软氮化可以提高其表面硬度和耐磨性，同时保持零件的心部韧性，减少在高速运转过程中的磨损和变形。
- 汽车工业
- 汽车发动机中的一些零件，如气门、活塞环等，采用软氮化处理后，可以提高其耐磨性和抗腐蚀性。气门在高温、高速的工作环境下，软氮化层能够有效防止气门与气门座之间的磨损和咬合；活塞环经过软氮化处理后，可以更好地适应气缸壁的摩擦环境，减少机油消耗，提高发动机的效率。
- 航空航天领域
- 航空航天零件对材料性能要求极高。软氮化可以用于一些航空发动机零部件和飞机起落架等部件的表面处理，增强其抗疲劳性能和耐腐蚀性能，以满足航空航天零件在恶劣环境下的使用要求。
四、软氮化与其他表面处理工艺的比较
- 与硬氮化的比较
- 硬氮化温度较低，一般在 480 - 530℃，软氮化温度稍高。硬氮化主要形成高硬度的氮化层，如纯铁在硬氮化后表面硬度可高达 900 - 1200HV，而软氮化后的硬度相对较低，通常在 500 - 900HV 之间，但软氮化层的韧性更好。硬氮化层较薄，一般在 0.01 - 0.06mm，软氮化层厚度可达 0.02 - 0.8mm。
- 与渗碳的比较
- 渗碳温度较高，一般在 900 - 950℃，而软氮化温度低，所以软氮化处理后零件的变形小。渗碳主要是提高零件的表面含碳量，通过淬火和回火后形成高硬度的马氏体组织来提高耐磨性，而软氮化是通过形成氮化物来提高表面性能。渗碳层的硬度在 58 - 64HRC 之间，软氮化层硬度范围如前面所述有所不同。并且渗碳处理后的零件抗蚀性相对较弱，软氮化后的零件抗蚀性较好。
