钢的离子氮化处理.

三.实验原理
1.钢的氮化处理【1~4】
1钢的氧化处理
氮化处理是使氮元素渗入钢材表面，硬化钢件表面的方法。

早在1923年即由德国克鲁伯兵工厂的A. Fry博士发明了把含有铝或铬的合金钢在无水氨气中加热至500~550℃之间保持
20~100小时，可在钢表面形成氮化层，使钢表面硬化的氨气氮化法。

随后，经过不断的改良与发展，目前已有处理时间较短、温度较低和适用钢种更广泛的氮化法。

现在常用的方法有：氧化处理是使氧元素参入钢材表面，硬化钢件表面的方法。

早在1923年即由德国泊兵工厂的A.博士发明了把含的合金钢在无水氨中加热之使钢表面的温度表情广之间保持20_100小时，可在钢表嘛形成氧化层，使钢表面硬化的氨画法，随后，经过不断的改良与发展，目前已有处理时间较短，温度较低的工艺方法。

现在常用的方法有：
（1）硬氮化法：气体氮化法（氨气氮化法），液体氮化法
（2）硬氧化法：氧化化方法 (氨氧艳化法 )，液体氧化法
（3）。

（4）软氮化法：气体软氮化法（混合气体、尿素法），
（5）软氧化法：氧体软艳化法 (混合气体，了样法 )。

液体软氮化法（Tufftride法、Sulinuz法）。

（6）离子氮化法及电浆氮化法等。

（7）离子氧化法及电狡猾化法邓。

2.离子氮化法【2】
2.离子氧化法
由于早期应用的气体氮化法生产周期太长，并在表面形成脆性薄层，容易在使用时剥落，能处理的钢材有局限性，使其应用受到很大的限制。

其后，工业上又发展了液体氮化法，具有设备简单、处理时间短及可氮化的钢种较多等优点，但所得的硬化层较薄、
使用的液体含有剧毒的氰话物盐类，会产生公害问题。

离子氮化法在很大程度上克服了上述缺点，是对金属零件进行表面处理的新技术，其目的乃为提高金属零件的表面硬度、耐磨耗性、耐疲劳性和抗腐蚀性。

使用的液体含有剧毒的氰话物体类，会产生公害问题。

离子氧化法在很大程度上克增里上样缺点，是对金属零件进行表面处理的新技朮，其目是微提高尽速零件的表嘛硬度，那那霸为，劳性荷抗副食性。

此法于1932年起源于德国，由Bernhard Berghaus首先在低压的氮气和氨气的混
合气体中，利用辉光放电发明辉光离子氮化法。

由于当时尚未掌握大电流的电源供应技
术而未能实际应用于工业上。

于1967年德国Klockner Ionon公司的Oppel和Endenhofer
发表工业化成功后，此法开始风行。

此法与1932年起源于德国，有BERNHARD BERGHAUS 首先在低压的荷氨烟袋
氧体中，利用辉光放电发明辉光离子氧化法。

由于当时尚未中掌握大电流的电源
而未能史记应用与工叶上。

与1967年德国KLOCHENER公司的OPPELENG FER
发表工业化成功后此法开始风行。

工业用离子氮化设备如图2之概略图，将工件放置于氮化炉内，预先将炉内抽成
0.01~0.001 Torr的压力后，导入氮气或氮和氢的混合气体，使炉内气压达1~10 Torr，
此时炉体接阳极，工件接阴级，两级间施以数百至数千伏特之直流电压，使炉内气体产
生离子放电而进行氮化处理。

氮气和氢气之分压比及处理温度应视处理工件之材质、所
需表层组织等情况作适当之调整。

温度可用热电偶或红外线温度计测定，由调整放电电
压而把温度控制在氮化温度范围。

工业用离子氧化设备如涂2只开痧，将工件放置与氧化卢所，预先巨人抽成工业TORR的压力后，到拉讵虎产赫赫荷庆气体，椒拉里气压低110TORR,表陈的澄清亏进行适当肢体煤正，温度可用热电有或红外线温度于今测定，有调整电压而把温度控制在氧化温度范围离子氮化法和其他氮化法比较时，有下列的主要特征：
不排放废气或污水，不发生公害。

(1)氮化时间短，又能做较低温度的处理。

(2)氧化时间短，又能做较低温度的处理。

(3)利用辉光放电加热，无须外加的加热装置。

(4)利用辉光放电加热，无须外加的加热装置。

(5)只有工件被加热节省能源，不需设定升温时间，也不需保温设备
(6)利用工件倍加扔接生能源，不需流下渥升温进，也不需保温社。

(7)不要氮化的部位只要用软钢板覆盖即可，不需镀覆。

(8)容易控制表面化合层的氮化物组织。

(9)氮化所消耗的气体少，较经济。

(10)没有火灾和爆炸的危险。

(11)可氮化不锈钢和钛等其他氮化法不易处理的材料。

(12)为了确保辉光放电，工件的放置密度有限，难做大量的处理。

3.钢之离子氮化
离子氮化向工件渗入的氮元素，不像气体氮化是由氨气分解而产生的活性氮原子，是被电场加速的电子碰撞含氮气体的分子或原子而形成的离子，在工件表面富集形成的强活性氮原子。

钢离子氮化的机构如图3所示，炉内电浆与工件产生如下的交互作用：
(1)气氛中的氮原子被电离成氮离子与电子，此时，带正电的氮离子向工件（负极）
移动而带负电的电子向炉壁（正极）移动。

(2)向炉壁移动的电子群会从电场中获得足够能量来与中性气体原子碰撞，使气体原
子被离子化成离子和电子，或被激发而成激发原子。

当激发原子返回基态而释
出能量时，部份能量化为可见光覆盖在负极（工件）表面，形成一层悦目的紫
红色辉光，如图3（b）所示。

(3)氮离子群移动至离工件表面数mm处的阴极电位降区时（图3（a）），由于电压的
急速下降所伴生的高电场强度所赋予的能量而被加速，因而以极高的速度轰击
工件，此时的氮离子引起两种主要作用；（a）使工件因被碰撞而加热。

（b）将
工件表面的Fe、C和O等原子撞出并产生二次电子；被敲离表面的Fe与因离
子放电而生成的氮原子或氮离子结合为FeN后，因吸附作用而回到工件表面，
二次电子则在向正极迁移时又与气氛中的分子或原子碰撞，产生新的氮和氢离
子，使放电程序继续进行，如图3（c）所示。

(4)吸附在工件的FeN在温度上升及离子不断轰击下，逐渐不安定而分解放出氮原子
而成为含氮较低的化合物Fe
2N、Fe
3
N或Fe
4
N等，放出的活性氮原子一部份从表
面向工件内部扩散形成扩散层；一部份重回到电浆中再与不断被轰击出来的Fe 结合成为FeN，如图3（d）所示。

如此反复进行，使工件达到离子氮化的目的，而其氮化深度及显微组织就依处理的温度及时间来控制。

反应气体除了氮气之外，常再添加适量的氢气，因氢氧有下述的几个
作用：
（1）因离子化成为氢离子，亦会轰击工件表面而帮忙加热工件。

（2）可将工件表面的氧化物和碳化物等杂质还原，使表面保持在活化状态而有助于氮的扩散效果。

（3）能够使工件表层产生脱碳作用，促进氮的向内扩散。

（4）利用氢气调节氮气浓度，以获得欲求的表层相结构；氮比例小时，表面易生成
Fe
4N相，而氮比例大时，则易生Fe
3
N相。

综合相关文献及上面图3的说明，可将铁系金属的离子氮化机构分成如图4所示的四个步骤：（1）离子的溅射与布植，（2）氮化铁的沉积与氮原子的吸附，（3）氮化铁的分解与扩散，（4）反应与氮化物的成长。

四.实验方法与步骤
1.将研磨抛光后的试片泡在丙酮内，以超音波清洗器振荡3~5分钟后，以镊子取出试片，
新鲜丙酮冲洗，吹风机吹干。

2.把洗净的试片迅速放入炉内，以免在空气中暴露过久而遭受污染或生成氧化物。

3.试片置放在工件架上应有适当距离，亦应确保试片及炉腔之干净，故工作人员应戴塑
料手套以免沾污试片、工件架或炉体。

4.确定试片已牢靠的置放于工件架后，关闭炉门，开始抽真空。

5.炉内真空度达10-2~10-3 Torr后，导入氮气和氢气，利用气体流量计调好氮与氢比例
流量，在真空帮浦继续运转中将炉内压力调至2 Torr。

6.启动DC Power Supply的电源，打开冷却风扇并确认运转。

7.慢慢增加电压（上升太快会产生电弧），同时利用红外线幅射温度计观测炉内温度，接
着将炉内压力升至所需压力。

8.依试片材质设定温度，通常在450~570℃，利用电压及电流来控制。

9.等炉温稳定后开始计处理时间，通常是1~10小时。

10.达到所需时间后，将DC Power Supply的电压缓慢降至0，关闭直流电源。

11.关闭氮气，待冷却至室温后，再关闭氢气，因为氢气在冷却过程中有保护气体的功能，
可避免氮化后的试片被氧化。

12.确定旋紧氮化炉下方的Bellow Valve后，再关闭真空帮浦，以避免油气回流污染了炉
舱及试片。

13.打开泄气阀，待氮化炉恢复长压后，打开舱门取出试片，关闭冷却风扇。

14.将离子氮化后试片之横断面研磨、抛光及腐蚀后，进行微硬度量测和金相观察：
（1）利用维克式硬度计，先量测试片表面硬度后，再自试片表面向内部每隔0.05 mm量测一次Hv硬度值。

（2）利用光学显微镜摄取氮化层、扩散层及心部的金相组织。

五.实验结果
1.绘制试片离子氮化后之硬度分布曲线，并量取硬度大于Hv500的硬化深度。

2.分析金相组织照片，辨认化合物层（氮化层）及扩散层组织。

六.问题与讨论
1.钢的氮化法有那些？离子氮化法有那些特性？
2.试片表面的化合物层，主要的氮化物有那些？如何利用离子氮化的处理条件来控制表面
生长的相？
3.比较金相组织和硬度分布曲线，并讨论氮化层及扩散层与硬度和硬化深度之间的关系。

七.补充资料
1.离子氮化处理时应注意事项：
（1）离子氮化的实验时间较长，使用的流量计、压力表、真空计及电压表等，应在实验进行中定时检查，遇有变动须立即调整。

（2）实验进行中若有重大意外发生（尤其是有火发产生）时，第一优先步骤是：马上关闭氢气瓶之开辟。

（3）应保持室内空气流动并绝对尽止火源接近，氢气为爆炸性危险气体。

（4）开机中绝对避免触碰高压导入端子，以免触电。

2.试片研磨、抛光及硬度量测时应注意事项：
（1）为避免化合物层在研磨或抛光时剥落或表面形成弧形面，应使用两片铜片夹住氮化层，如图5所示。

（2）表面硬度之量测若平行化合物层实施，则易崩落，使测定值误差大，故常以从表面垂直化合物层实施而得。

八.参考文献
1.陈克昌，”钢的氮化处理”，经济部专业人员研究中心工程材料与热处理研究班讲义（编
号 83PIT23-05），台湾糖业股份有限公司训练中心，1994。

2.陈克昌、庄国章，”钛金属及其合金之离子氮化”，表面工业杂志，第53期，第28~40页。

3.黄振贤，金属热处理，文京图书公司，1985，第187~202页。

4.金重勋，热处理，复文书局，1986，第184~191页。

5.庄国章、黄文澔、林嘉彦，”离子氮化系统操作手册说明”，逢甲大学材料科学系表面工程与薄膜实验室，1995年编写，2001年修正。

圖1 離子氮化系統示意圖【5】
图2 工业用离子氮化设备概图【5】
(a)
壓
電
極
陰
..
件
工
理
處
图 3 习知的铁系金属离子氮化机构示意图。

(a)电位在两极之间的分布情形；(b)辉光的分布情形；(c)电将中的活性物种与基材之间的交互作用；(d)FeN的吸附与分解【5】
图4 修正后之铁系金属离子氮化机构示意图【5】。