不锈钢的氮化工艺

一、工艺流程

1. 表面预处理
   • 钝化膜去除：不锈钢表面的Cr、Ni氧化膜（钝化膜）会阻碍氮原子渗入，需通过喷砂、酸洗（如盐酸）、氯化物浸泡（如TiCl₂）或磷化处理破坏钝化膜。例如，喷砂后需立即装炉以避免重新氧化。
   • 清洁与干燥：去除油污、锈迹后，通过真空干燥或化学清洗确保表面洁净。
2. 渗氮处理
   • 气体氮化：在氨气氛围中加热至400～600℃，通过控制氨分解率（50%～70%）调节氮势。例如，两段氮化工艺（如550℃×15h+580℃×30h）可显著增加渗层深度至0.3mm。
   • 离子氮化：利用等离子体加速氮原子渗入，适用于复杂形状工件，如双电源离子氮化技术可提升316不锈钢刀具硬度至1025HV。
3. 后处理
   • 包括冷却（自然冷却或水冷）、磨光、防锈涂层等，避免变形并延长使用寿命。

二、工艺原理

1. 氮原子扩散与相变
   • 氮原子通过扩散进入不锈钢表面，与Cr、Ni等元素形成γ'相（Fe₄N）、ε相（Fe₂₃N₃）或碳氮化物（如CrN）。例如，奥氏体不锈钢在高温（>600℃）下形成γ相，避免脆性γ'相出现。
   • 渗层结构通常分为白亮层（高硬度ε相）和扩散层（γ+γ'相混合）。
2. 组织性能变化
   • 渗层硬度可达500～1000HV，耐磨性提升3～5倍。例如，3Cr13不锈钢经气体氮化后渗层硬度达500HV以上。
   • 耐腐蚀性因氮化层致密性增强而提高，但高氮浓度可能降低耐蚀性，需结合后处理优化。

三、关键工艺参数

四、主要氮化方法

1. 气体氮化
   • 传统工艺，成本低，但需严格控制氨分解率。适用于批量生产，如航空发动机部件。
2. 离子氮化
   • 高效节能，渗层均匀，适合精密零件。双电源技术可提升渗氮速率和硬度。
3. 液体氮化（如QPQ工艺）
   • 在氰酸盐熔融浴中进行，温度550～600℃，兼具渗氮与氧化，形成复合层，但可能降低耐蚀性。
4. 低温盐浴氮化
   • 新兴技术，350～450℃下进行，环保且变形小，适用于高精度零件，但废盐处理需注意。

五、应用领域

• 航空航天：发动机涡轮叶片、轴承（如1Cr11Ni2W2MoV钢）。
• 汽车工业：气门、活塞环（316不锈钢刀具经离子氮化后寿命提升）。
• 模具制造：无磁模具（7Mn15Cr2Al3V2WMo钢）、高耐磨冲压模具。
• 医疗器械：耐腐蚀且高硬度的手术器械。

六、挑战与解决方案

1. 钝化膜阻碍渗氮
   • 解决方案：喷砂结合快速入炉、酸洗或氯化物处理。
2. 渗层脆性
   • 优化工艺参数（如两段氮化）或采用低温盐浴技术减少脆性相生成。
3. 耐蚀性与硬度平衡
   • 通过后处理（如氧化涂层）或控制氮化温度（避免过饱和氮析出）。