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氣體氮化一般使用無水氨氣(或氨+氫,或氨+氮)作為供氮介質。整個氮化過程可分三個階段。
(1)氨的分解
氨是一種很不穩定的氣體,在一定條件下易于分解。它的分解率隨溫度的升高而增加,在400~600℃溫度范圍內,它的自然分解率可趨向全部分解,其分解反應如下:
2NH3=====2[N]+6[H]
氨氣中分解出的活性氮原子是新生態的氮原子,具有很大的化學活性,部分被工件表面吸收,然后從表面向內部擴散,剩余的[N]很快結合成分子態的N2與H2等一起從廢氣中排出,所以氨分解式實際上是:
2NH3======2[N]+6H=====3H2+N2
為了使氮化作用繼續不斷地進行下去,必須連續地輸入氨氣,不斷地產生活性氮原子。
(2)鋼件表面吸收氮原子
活性氮原子被鋼件表面中吸收后,深入鐵素體中形成含氮量較高的鐵素體,過飽和后又形成氮化物。
(3)擴散
鋼件表面吸收氮原子以后,在表面和里層存在著氮濃度梯度,促使氮原子從表面向里擴散,形成一定厚度的氮化層。
在氮化溫度下,吸附層中的活性氮原子向金屬晶格內部移動,留下的空隙又迅速地被吸附層的氮原子所填滿,因而始終保持金屬表面上有活性氮原子連續滲入。因此,擴散過程如下。
①向爐內不斷輸入含氮的氣體;
氨分子向金屬表面遷移;
氨分子被金屬表面吸附;
氨分在相界面上不斷分解,形成氮原子和氫原子;
吸收剩余的活性原子復合成分子,不斷從爐內排出;
表面吸附的氮原子溶解于γ-Fe、α-Fe中。
②氮原子由金屬表面向內中擴散,并產生一定的濃度梯度。
③當氮超過在α-Fe中的溶解度后,表層開始形成氮化物。
④氮化物沿金屬表面的垂直方向和平行方向長大。
⑤表面依次形成γ相和ε相。
⑥氮化層不斷增厚。
⑦氮從氮化物層向金屬內部擴散。
影響以上基本過得的因素很多,如溫度、時間、壓力、介質成分(或氮勢)以及零件鋼材成分和組織等。氣體氮化工藝就是要合理地控制這些影響因素,獲得滿意的氮化層。