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“氮化技术”是什么技术?
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一、氮化的机理 氮化是将工件放入大量活性氮原子的介质中,在一定温度与压力下,把氮原子渗入钢件表面,形成富氮硬化层的热处理。 二、氮化的作用 1、氮化能使零件表面有更高的硬度和耐磨性。例如用38CrMoAlA钢制作的零件经氮化处理后表面的硬度可达HV=950—1200,相当于HRC=65—72,而且氮化后的高强度和高耐磨性保持到500—600℃,不会发生显著的改变。 2、能提高抗疲劳能力。由于氮化层内形成了更大的压应力,因此在交变载荷作用下,零件表现出具有更高的疲劳极限和较低的缺口敏感性,氮化后工件的疲劳极限可提高15—35%。 3、提高工件抗腐蚀能力,由于氮化使工件表面形成一层致密的、化学稳定性较高的ε相层,在水蒸气中及碱性溶液中具有高的抗腐蚀性,此种氮化法又简单又经济,可以代替镀锌、发蓝,以及其它化学镀层处理。此外,有些模具经过氮化,不但可以提高耐磨性和抗腐性,还能减少模具与零件的粘合现象,延长模具的工作寿命。 二、氮化的实现方法 1、气体氮化 气体氮化是将工件放入一个密封空间内,通入氨气,加热到500-580℃保温几个小时到几十个小时。氨气在400℃以上将发生如下分解反应:2NH3—→3H2+2[N],从而炉内就有大量活性氮原子,活性氮原子[N]被钢表面吸收,并向内部扩散,从而形成了氮化层。 以提高硬度和耐磨性的氮化通常渗氮温度为500—520℃。停留时间取决于渗氮层所需要的厚度,一般以0.01mm/h计算。因此为获得0.25—0.65mm的厚度,所需要的时间约为20—60h。提高渗氮温度,虽然可以加速渗氮过程,但会使氮化物聚集、粗化,从而使零件表面层的硬度降低。 对于提高硬度和耐磨性的氮化,在氮化时必须采用含Mo、A、V等元素的合金钢,如38CrMoAlA、38CrMoAA等钢。这些钢经氮很后,在氮化层中含有各种合金氮化物,如:AlN、CrN、MoN、VN等。这些氮化物具有很高的硬度和稳定性,并且均匀弥散地分布于钢中,使钢的氮化层具有很高的硬度和耐磨性。Cr还能提高钢的淬透性,使大型零件在氮化前调质时能得到均匀的机械性能。Mo还能细化晶粒,并降低钢的第二类回火脆性。如果用普通碳钢,在氮化层中形成纯氮化铁,当加热到较高温度时,易于分解聚集粗化,不能获得高硬度和高耐磨性。 抗腐蚀氮化温度一般在600—700℃之间,分解率大致在40—70%范围,停留时间由15分钟到4小时不等,深度一般不超过0.05m m。对于抗腐蚀的氮化用钢,可应用任何钢种,都能获得良好的效果。 2、液体氮化 液体氮化它是一种较新的化学热处理工艺,温度不超过570℃,处理时间短,仅1—3h;而且不要专用钢材,试验表明:40Cr经液体氮化处理比一般淬火回火后的抗磨能力提高50%;铸铁经液体氮化处理其抗磨能力提高更多。不仅如此,实践证明:经过液体氮化处理的零件,在耐疲劳性、耐腐蚀性等方面都有不同程度的提高;高速钢刀具经液体氮化处理,一般能提高使用寿命20—200%;3Cr2W8V压铸模经液体氮化处理后,可提高使用寿命3—5倍。液体氮化表层硬而不脆,并且具有一定的韧性,不容易发生剥落现象。 但是,液体氮化也有缺点:如它的氮化表层中的氮铁化合物层厚度比较薄,仅仅只有0.01—0.02mm。国外多采用氰化盐作原料液体氮化,国内已改用无毒原料液体氮化。我国无毒液体氮化的配方是:尿素40%,碳酸钠30%、氯化钾20%,氢氧化钾10%(混合盐溶点为340℃左右)。液体氮化虽然有很多优点,但由于溶盐反应有毒性,影响操作人员身体健康,废盐也不好处理。因此,与用越来越受到限制。 3、离子氮化 离子氮化又叫“辉光离子氮化”是最近起来的一种热处理工艺,它具有生产周期短,零件表面硬度高,能控制氮化层脆性等优点。因而,近几年来国内发展迅速,使用范围很广。 辉光离子氮化的基本原理: 辉光离子氮化是将零件放到离子氮化的真空室内,氮化的零件接高压直流电源的阴极(负极),电炉外壳接直流高压电源的阳极(正极),当向真空容器内充入氨气,但容器内压强保持200-1000PA之间,在阴极和阳极间加800—1000伏直流电压,氨气就会电离,这种气体经电离作用后,产生带正电的氮阳离子[N+]和带负电的阴离子[N-],形成了一个等离子区。在等离子区内,氮的正离子在高压电场加速下,快速冲向阴极,轰击清洗需氮化的零件表面,将动能转变为热能,还由于氮离子转变成氮原子时,又放出大量的热能并发出很亮的淡紫色光,另外电压降落在工件附近时也产生热量,这三种热量将零件加热到需要氮化温度。 在这种温度下,氮离子与零件金属表面发生化学反应,氮原子渗入到零件表面并扩散到内部,形成了氮化层。 辉光离子氮化的特点: (1)、表面加热速度快,可缩短加热及冷却时间,到十分之一至十二分之一。而且除处理表面加热外其余部分均处在低温(100℃左右)状态,既节约了加热功率又减少零件的变形。 (2)、扩散过程快,在高压电场作用下,由于氮化原子的运动速度比气体氮化快许多倍,渗入速度更快,一般只需要3—10h。 (3)、氮化层韧性好,具有高抗疲劳和高抗磨性能,氮化层脆性白色ε相(Fe2N)控制在0—0.2mm范围,从而免去氮化零件的磨削加工。 表面硬度高达HV900(HRC64),氮化层深度可掌握在0.09—0.87mm。 四、各种氮化法的成本分析 1、盐浴氮化炉结构简单,价格低,操作工艺很容易掌握,氮化成本也低,但氮化质量不高,废弃物有污染,通常很少采用。 2、气体氮化炉构复杂,价格稍高,操作相比而言稍有难度,但氮化质量好,可以达到很深的渗层与较高的硬度,但需要较长的时间,氨气的用量也很高 3、离子氮化炉生产制造工艺要求很高,所用材料也很讲究,电气控制技术含量很高,对操作人员的整体要求高,但氮化质量最好,渗入速度快,氮化成本低于气体氮化,是很好的发展趋势。 以一次性装炉量在400公斤为例:初步投资别如下 盐浴氮化炉投资在贰万元左右 气体氮化炉在肆万元左右 离子氮化要在玖万元左右 达到同样的渗层,离子氮化的成本约为气体氮化的60%(由于盐浴氮化很难达到气体氮化与离子氮化的渗层,所以不能比较它们的运行成本)

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gan ,氮化镓   这是一种具有较大禁带宽度的半导体,属于所谓宽禁带半导体之列。它是微波功率晶体管的优良材料,也是蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体。 gan材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,并与sic、金刚石等半导体材料一起,被誉为是继第一代ge、si半导体材料、第二代gaas、inp化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。 gan材料的缺点和问题  一方面,在理论上由于其能带结构的关系,其中载流子的有效质量较大,输运性质较差,则低电场迁移率低,高频性能差。   另一方面,现在用异质外延(以蓝宝石和sic作为衬底)技术生长出的gan单晶,还不太令人满意(这有碍于gan器件的发展),例如位错密度达到了108~1010/cm2(虽然蓝宝石和sic与gan的晶体结构相似,但仍然有比较大的晶格失配和热失配);未掺杂gan的室温背景载流子(电子)浓度高达1017cm-3(可能与n空位、替位式si、替位式o等有关),并呈现出n型导电;虽然容易实现n型掺杂(掺si可得到电子浓度1015~1020/cm3、室温迁移率>300 cm2/ v.s 的n型gan),但p型掺杂水平太低(主要是掺mg),所得空穴浓度只有1017~1018/cm3,迁移率<10cm2/v.s,掺杂效率只有0.1%~1%(可能是h的补偿和mg的自身电离能较高所致)。  gan材料的优点与长处  ①禁带宽度大(3.4ev),热导率高(1.3w/cm-k),则工作温度高,击穿电压高,抗辐射能力强;   ②导带底在γ点,而且与导带的其他能谷之间能量差大,则不易产生谷间散射,从而能得到很高的强场漂移速度(电子漂移速度不易饱和);   ③gan易与aln、inn等构成混晶,能制成各种异质结构,已经得到了低温下迁移率达到105cm2/vs的2-deg(因为2-deg面密度较高,有效地屏蔽了光学声子散射、电离杂质散射和压电散射等因素);   ④晶格对称性比较低(为六方纤锌矿结构或四方亚稳的闪锌矿结构),具有很强的压电性(非中心对称所致)和铁电性(沿六方c轴自发极化):在异质结界面附近产生很强的压电极化(极化电场达2mv/cm)和自发极化(极化电场达3mv/cm),感生出极高密度的界面电荷,强烈调制了异质结的能带结构,加强了对2-deg的二维空间限制,从而提高了2-deg的面密度(在algan/gan异质结中可达到1013/cm2,这比algaas/gaas异质结中的高一个数量级),这对器件工作很有意义。   总之,从整体来看,gan的优点弥补了其缺点,特别是通过异质结的作用,其有效输运性能并不亚于gaas,而制作微波功率器件的效果(微波输出功率密度上)还往往要远优于现有的一切半导体材料。 编辑本段gan器件制造中的主要问题   因为gan是宽禁带半导体,极性太大,则较难以通过高掺杂来获得较好的金属-半导体的欧姆接触,这是gan器件制造中的一个难题,故gan器件性能的好坏往往与欧姆接触的制作结果有关。现在比较好的一种解决办法就是采用异质结,首先让禁带宽度逐渐过渡到较小一些,然后再采用高掺杂来实现欧姆接触,但这种工艺较复杂。总之,欧姆接触是gan器件制造中需要很好解决的一个主要问题。
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