什么是氮化？

氮化是一种热化学流程，其中铁金属（如钢）的表面添加了氮。这使氮化物层非常坚硬且耐磨，并显著提高了疲劳强度和耐腐蚀性。

共有两种常用的氮化选项：

• 氮化： 只能使用氮来富集金属。这通常用于低碳、低合金钢以及铁、钛、铝和钼合金。
• 硝基渗碳： 除了氮之外，还使用少量碳来富集金属。这最常用于铁基合金。

氮化和硝基渗碳组件的制备挑战

在氮化和硝基渗碳组件上，最经常需要进行金相分析，以控制制造过程中的热化学氮化流程，以及进行失效分析。在这两种应用中，金相分析方法保持不变。

金相学家在制备氮化和硝基渗碳组件时面临两大主要挑战。


图 1： 试样和镶嵌树脂之间的收缩间隙可能捕获磨料并导致氮化物层剥落。


图 2： 圆边角： 边缘保护不佳可能导致层在高倍放大下不对焦。

如需了解有关如何应对这些挑战的完整说明，请下载完整的应用说明。

氮化物层的组成

氮化物层由两部分组成，即化合物层和扩散区。两层的厚度取决于各种参数，包括基体金属的成分、热化学氮化流程的长度以及使用的温度。

化合物层的组成
化合物层由两个氮化铁相形成： ε（Fe₃N）和 γ'（Fe₄N）。因为它在用硝酸乙醇蚀刻后保持白色，因而被称为“白色层”，化合物层不含任何金属。相反，它是由铁和氮形成的非金属相组成。该层相对较硬，并且硬度随着硬化层深度的减小而增加。多孔区可见于化合物层的外部区域中。

扩散区的组成
扩散区位于化合物层的正下方。它在固溶体中含有氮，以及合金元素（如铝、钼、铬和钨）形成的针状稳定金属氮化物。这些氮化物针可被蚀刻以使扩散区可见并且其厚度可测量。

如需了解更多有关氮化物层的组成、厚度和硬度的信息，请下载完整的应用说明。


图 3： 氮化物层的组成。

热化学氮化流程

共有三种常用的氮化流程。选择的方法取决于最终氮化组件的具体应用。

下面简要介绍氮化流程。如需了解流程的详细说明，以及每个流程如何影响氮化组件或部件的特性，请下载完整的应用说明。


盐浴硝基渗碳
预热后，将组件浸入由碱性氰酸盐和碱性碳酸盐组成的盐浴中。碱性氰酸盐通过氧化和热反应释放出扩散到金属表面的氮和碳。

在盐浴硝基渗碳后，在氧化盐浴中对组件进行淬火。这会产生一个黑色氧化铁（Fe₃O₄），用来填充化合物层的孔隙，并提供额外的防腐保护。

• 典型应用： 用于汽车行业的零件，如活塞杆、凸轮轴和齿轮，以及用于飞机、近海和机械工程行业的零件。

气体氮化和气体硝基渗碳
在气体氮化中，将组件置于密封的钟型氮化炉中。在达到氮化温度时，氨进入熔炉。当氨与金属发生反应时，它会分解并释放出扩散到金属表面的新生氮。在气体硝基渗碳过程中，会向气体中添加碳。

• 典型应用： 机床主轴、球墨铸铁泵壳、门锁装置、水泵组件以及用于气体压缩机的活塞。

等离子氮化和等离子硝基渗碳
等离子体氮化是在氮气/氢气气氛中进行。等离子体是在高电压真空室中产生。在此环境中，金属组件充当阴极，真空容器充当阳极。等离子渗碳流程相同，但会添加含碳气体。

• 典型应用： 由于等离子体氮化允许使用各种氮化层，因此这些组件可用于许多不同的应用。其中包括高性能电机中的凸轮轴和曲轴、机器主轴、汽车冲模、耐腐蚀发动机阀门和高速钢切割工具。

图 4： 用 1% 硝酸乙醇蚀刻的盐浴硝基渗碳钢合金 (16MnCr5)。扩散区被蚀刻成深色，带多孔区的化合物层显示为白色。


图 5： 气体硝基渗碳碳钢（580°C，1.5 小时）。


图 6： 等离子体硝基渗碳碳钢（570°C，6 小时）。两个氮化物层都没有多孔区域，而且表面光洁度非常高。

氮化组件和硝基渗碳组件的金相制备

氮化和硝基渗碳组分制备期间的主要挑战是（多孔区的）破裂和在第一个研磨步骤中（化合物区的）开裂。此外，不正确的镶样和用软布过度抛光可能导致边缘倒圆，这使得在高放大倍率下进行厚度测量和评估非常具有挑战性。


图 7： 制备过程中产生的涂层裂缝。

下面，我们就如何克服这些挑战给出了简明的建议。为了更全面地了解如何准确快速地制备氮化和硝基渗碳组件以进行金相分析，请下载完整的应用说明。

切割： 如何避免损坏氮化物层

• 水冷切割机上的截面氮化和硝基渗碳组件。
• 使用氧化铝切割轮。选择切割轮时，请根据组件的硬度进行选择。

镶样： 如何避免氮化和硝基渗碳试样中的收缩间隙

• 建议使用纤维增强树脂（如 DuroFast）进行热压缩镶样。
• 为提高边缘保护，请在镶样前用薄薄的一层纯铜箔包裹切割试样。

此外，铜色还可增强镶嵌树脂与涂层的对比效果，这在处理氧化组分时特别有用。


图 8： 高合金钢（X45CrSi9V），硝基渗碳盐浴，氧化并用 1% 硝酸乙醇蚀刻。扩散区被蚀刻成深色。化合物层无法与镶样树脂区分开来。


图 9： 与图 8 相同，使用铜箔镶嵌。可在铜箔上清楚地看到化合物层，并且可以进行测量。


了解更多有关切割和镶样的信息

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• 查看我们的切割设备、配件和耗材系列。
• 查看我们的镶样设备和耗材系列。

研磨与抛光： 如何确保氮化和硝基渗碳试样的良好边缘保护

• 应使用碳化硅箔/砂纸进行平面研磨。
• 为确保良好的边缘保护：
  - 在刚性精细研磨盘 (MD-Largo) 上使用金刚石悬浮液进行精细研磨。
  - 接着用金刚石抛光布在缎面机织物醋酸纤维布（MD-Dac）上抛光。
  - 使用 1 μm 金刚石或硅胶进行短暂的最终抛光。

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有关氮化涂层的研磨和抛光的建议


蚀刻： 如何蚀刻氮化和硝基碳化试样

• 为了评估多孔区域，请首先检查氮化物涂层，然后再蚀刻氮化金属试样。
• 用 1-3% 的硝酸乙醇蚀刻显示有白色化合物层。在氮化合金钢中，扩散区也将变暗。
• 为了识别氮化低碳钢中的扩散区，请将试样在 300°C 下加热 45 分钟，然后使用 1% 硝酸乙醇进行蚀刻。

图 10： 合金钢（42CrMo4），气体氮化（510°C 下 36 小时）并用 1% 硝酸乙醇进行蚀刻。深色扩散区、白色化合物层和多孔区可见。

下载完整的应用说明，获取氮化和硝基渗碳组件的成熟分步制备方法。

氮化组件和硝基碳化组件的材相

热化学氮化流程为表面添加氮，而在某些情况下，还添加少量碳，从而提高金属组件的耐磨性和耐腐蚀性。氮化流程有三种，而且都会最终实现非常坚硬的氮化物表面，此表面包括一个化合物层和一个扩散区。

氮化组件和硝基渗碳组件的金相分析主要用于控制氮化过程的质量以及分析故障组件。

在处理氮化和硝基渗碳组件时，金相学家面临两个主要挑战： 在切割和研磨过程中，氮化物层可能会碎裂或开裂；不正确的镶样和抛光可能导致边缘制备效果不佳。为了克服这些挑战，金相学家应遵循专为氮化和硝基渗碳组件设计的特定方法，如本应用说明中所述。

点击此处，下载完整的应用说明。


图 11： 铁素体球墨铸铁，气体氮化，用 3% 硝酸乙醇（500x）蚀刻。

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所有图片均由中国应用专家 Charily Zeng 提供

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