氮化工藝技術(shù)的新進(jìn)展

sunny2008

氮化工藝具有處理溫度低，工藝周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，經(jīng)過氮化處理的零件硬化層淺,表面硬度高，主要應(yīng)用于承受載荷較低的零件。由于工藝技術(shù)的特點(diǎn)和獲得性能不足，尤其對(duì)于不銹鋼零件的處理，表面穩(wěn)定的氧化膜問題使工藝的實(shí)施增加許多麻煩等。近年來，為了進(jìn)一步擴(kuò)展改善氮化工藝技術(shù)，使性能得到進(jìn)一步提高，熱處理工作者不斷努力探索使氮化技術(shù)逐步向前推進(jìn)，不斷有新的突破，獲得可喜成果。

本文收集總結(jié)一些氮化工藝技術(shù)亮點(diǎn)或突破，供給同行供參考。其主要目的：提供方法，拓寬改變思路，借鑒成果，以促進(jìn)氮化工藝技術(shù)的提升和發(fā)展。

1.不銹鋼的氮化
眾所周知，對(duì)于不銹鋼由于表面存在的穩(wěn)定氧化膜問題，會(huì)阻止氮原子的滲入。在實(shí)施氮化前必須首先清除或活化氧化膜。傳統(tǒng)的做法是：磷化、噴砂、酸洗或向爐內(nèi)通入(添加)氯氟及硫磺系列的活化劑,去除或破壞保護(hù)膜使其表面活化,以有利于氮的滲入。然而,活化劑不僅對(duì)零件表面均有不同程度的損傷，而且對(duì)爐襯、加熱元件和測(cè)試裝置均有一定的傷害。

為了解決不銹鋼的氮化問題，有人對(duì)于奧氏體不銹鋼氮化進(jìn)行研究，在氮化前預(yù)先在真空滲碳爐中對(duì)不銹鋼進(jìn)行淺層滲碳處理，通過真空滲碳處理使碳與Cr元素結(jié)合，以去除穩(wěn)定的保護(hù)膜，這樣就不用擔(dān)心保護(hù)膜的阻擋作用，可以采用通常的氣體氮化爐直接實(shí)施表面硬化。結(jié)果表明，氮化效果良好，表面硬度可以達(dá)到 1000HV0.1, 其耐磨性也與常規(guī)氮化相當(dāng)。此工藝技術(shù)實(shí)際是一種復(fù)合化學(xué)熱處理，雖然解決了氮化問題，但是由于前期實(shí)施的滲碳溫度較高，熱處理變形相對(duì)增加，實(shí)際應(yīng)用應(yīng)該慎重考慮。

傳統(tǒng)磷化作為不銹鋼的氮化前處理也有所應(yīng)用，但由于存在一定問題，實(shí)際應(yīng)用受到限制。為了解決AISI420不銹鋼的直接氮化問題，作者對(duì)磷化處理劑進(jìn)行篩選優(yōu)化試驗(yàn)，采用LD-2311不銹鋼專用磷化劑，選擇90～100℃，10～15min處理方案,作為氮化的前處理進(jìn)行生產(chǎn)性應(yīng)用。結(jié)果表明，此方法不僅簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，而且使氮化速度加快，滲層無脆性，表面硬度可以達(dá)到1180HV。成功的解決了可控氮化爐不能進(jìn)行不銹鋼氮化的難題。

2.先進(jìn)熱處理設(shè)備及檢測(cè)
為了可靠提升氮化質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，近年來，高性能智能化的專用氮化爐相繼推出，并投入生產(chǎn)使用表現(xiàn)良好技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。我公司購(gòu)置使用德國(guó)LPSEN（見圖1）和IVA智能化可控氮?jiǎng)莸癄t（見圖2）生產(chǎn)零件質(zhì)量穩(wěn)定可靠，其性能高于常規(guī)氮化質(zhì)量，成本明顯降低，表現(xiàn)優(yōu)良的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。該爐型配備了先進(jìn)可靠的智能化氮化控制系統(tǒng)，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)氮?jiǎng)菰O(shè)定或可靠控制，獲得不同工藝要求的氮化質(zhì)量；配備了快冷卻裝置（IVA真空氮化爐有兩種冷卻方式可供不同工藝要求選擇）實(shí)現(xiàn)氮化完成后的快速降溫，有效縮短工藝周期，并使表面能夠得到較常規(guī)氮化更高的硬度；配備了高壽命氫探頭（已經(jīng)使用10年）保證氮?jiǎng)莸目煽空{(diào)節(jié)或控制。此外，爐的密閉性達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)，在封閉式廠房運(yùn)行基本嗅不到氨的氣味，作到了完全無公害的綠色生產(chǎn)條件。

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多年使用驗(yàn)證，該智能化氮化爐是應(yīng)該替代常規(guī)氮化爐的最佳爐型，推廣使用將會(huì)徹底擺脫氮化質(zhì)量不良，環(huán)境條件差的不利局面。

3.工藝技術(shù)改進(jìn)
一種新工藝是加壓氮化，其方法是提高爐內(nèi)壓力，對(duì)具有復(fù)雜形狀的合金鋼零件顯示良好效果。對(duì)于小直徑深盲孔（小于0.40mm）都能夠獲得滿意氮化效果。對(duì)于鈦合金的氮化可以將溫度減低到600℃。

為了解決氮化周期長(zhǎng)的問題，有人提出脈沖或循環(huán)兩段快速氮化的概念，該工藝是將多個(gè)周期較短的兩段氮化加以循環(huán)，在每個(gè)循環(huán)的不同階段確定不同的控制環(huán)節(jié)，同時(shí)使界面吸收與擴(kuò)散的速度充分匹配，相互促進(jìn)，循環(huán)加速充分利用擴(kuò)散和強(qiáng)滲的高速段提高氮化速度。試驗(yàn)表明，采用此工藝氮化周期較常規(guī)工藝周期縮短1/3～1/2。其提高氮化的速度是明顯的。

不同催滲方法的應(yīng)用使氮化工藝過程大大縮短，性能得到改善，受到廣大熱處理工作者的關(guān)注。近年來，研究較多的有：稀土、碘、活性鈦、預(yù)氧化等，關(guān)于催滲機(jī)理雖然有不同的解釋。但是，基本原理均是建立在提高氣氛的活性和改善表面狀態(tài)兩個(gè)方面。

眾所周知，氮化零件表面活性對(duì)于氮化有明顯影響，我們?cè)谏a(chǎn)過程發(fā)現(xiàn)，同樣鋼材加工方式的不同，精加工或磨加工氮化效果有所不同。說明表面活性對(duì)實(shí)際氮化有一定的影響。為了定性表面狀態(tài)的影響，有人對(duì)不同的表面狀態(tài)計(jì)算活性系數(shù)，其結(jié)果為：精拋為0.20，冷拉0.30，粗拋0.45，噴砂085，化學(xué)侵蝕0.90。且在同樣條件進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著活性系數(shù)增大，重量依次增加，可以證明，氮化零件表面活性對(duì)實(shí)際氮化的作用不可忽視。

預(yù)氧化氮化是近年來提出的一種新的氮化工藝，其原理是氮化入爐不急于換氣，而是在低于氮化溫度的氧化氣氛條件下加熱使表面生成一定的氧化膜（主要為Fe3O4)，利用氧化膜的特殊活化作用，增加表面活性氮的吸附作用，以提高氮化速度。實(shí)際應(yīng)用表明，氮化初期表面形成的Fe3O4層能與氨反映形成ε氮化物，同時(shí)氮可以迅速穿透該層滲入金屬基體，并在基體中形成γ氮化物。結(jié)果可以證明，預(yù)氧化形成的Fe3O4氧化膜 對(duì)氮化不但沒有阻擋作用，相反有一定的顯著的促進(jìn)作用，與常規(guī)氮化比較，其氮增量貢獻(xiàn)率達(dá)到45%。

有人采用40Cr和38CrMoAi鋼的試驗(yàn)表明，短時(shí)間預(yù)氧化獲得的氧化膜可以加速滲氮和氮碳共滲，而長(zhǎng)時(shí)間（大于0.5h）對(duì)氮化有抑制作用。試驗(yàn)對(duì)比提出，在580、550和620℃預(yù)氧化5～10min能使氮化加速30%～50%。

關(guān)于預(yù)氧化氮化的催滲機(jī)理，提出兩種觀點(diǎn)：一是預(yù)氧化表面和預(yù)氧化層內(nèi)部本身的疏松多孔結(jié)構(gòu)有利于氨的分解，釋放原子氮；另一方面是反應(yīng)所釋放的氧被吸附進(jìn)入材料造成氧氮共滲，而氧的共滲對(duì)氮化過程有一定的促進(jìn)作用。值得指出，預(yù)氧化對(duì)于大多數(shù)鋼是有效的。對(duì)于表面形成其他類型的氧化物為主的高合金鋼，其效果有待于進(jìn)行深入研究。

對(duì)于預(yù)氧化氮化的問題報(bào)道的結(jié)果有一定差異，認(rèn)為造成結(jié)果不同的原因，不外呼是試驗(yàn)或生產(chǎn)的條件（預(yù)氧化工藝、設(shè)備和材料等）的不同所致。但是，大多數(shù)的研究均認(rèn)為預(yù)氧化促進(jìn)氮化的作用是有效的。

氮化前鋼的組織硬度對(duì)氮化有一定影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表1）表明，作為預(yù)先熱處理調(diào)質(zhì)，盡可能提高有利于氮化效果的提升。

表1 預(yù)先熱處理調(diào)質(zhì)硬度對(duì)氮化的影響

材料	基體硬度HRC	至表面的距離 (mm)的硬度HV0.3
		0.05	0.10	0.15	0.20	0.25	0.30	0.35	0.40
40Cr	22/24	478	419	366	336	321	308	297	293
	26/28	530	493	426	382	339	312	307	300
	31/33	582	539	493	438	400	374	354	340
35CrMo	24/25	491	431	394	351	338	324	314	312
	27/29	540	490	430	380	362	341	330	320
	31/33	586	545	508	442	392	380	364	354

可以看出，隨著40Cr、35CrMo鋼調(diào)質(zhì)硬度的提高氮化表面硬度提高，深度變淺?？梢哉J(rèn)為，回火溫度的提高材料基體中的合金炭化物將會(huì)聚集張大，減少了炭化物的彌散度，從而降低了氮化時(shí)氮的阻力，表現(xiàn)滲速加快，層深增加。

4.新鋼種開發(fā)
為了改善或提高鋼的氮化性能，氮化專用鋼的研究一直不斷在進(jìn)行。研究認(rèn)為，鋼的化學(xué)成分是影響氮化的主要因素，鋼中碳和氮的溶解是相互排斥的，在滿足鋼性能的前提下，降低碳含量有益于氮化速度的提高。基于該思路，調(diào)整優(yōu)化化學(xué)成分推出的28CrMoV新氮化鋼具有優(yōu)于38CrMoAi鋼的強(qiáng)韌性，又具有常規(guī)Mo-Cr和Mo-Cr-V合金鋼的更優(yōu)異氮化性能。同樣氮化條件下，氮化周期可以大幅度縮短。

研制低碳無鋁和低鋁的氮化鋼（見表2）與傳統(tǒng)38CrMoAi鋼的各項(xiàng)性能進(jìn)行綜合比較，結(jié)果表明，在同樣氮化條件下無鋁氮化鋼有較高的滲層深度和硬度，且硬度剃度平緩，表現(xiàn)出良好的綜合氮化性能。

表2 無鋁和低鋁的氮化鋼成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

鋼  種	C	Si	Mn	S	P	Cr	Mo	Ai	Fe
D1	0.20	0.24	0,83	0.006	0.006	1.82	0.58	0.03	其余
D2	0.20	0.30	0.81	0.005	0.007	3.76	0.56	0.24	其余
38CrMoAi	0.40	0.41	0.43	0.003	0.012	1.45	0.16	0.78	其余

關(guān)于稀土的催滲作用研究表明，汽化催滲作用遠(yuǎn)不如添加鋼中的作用。為此，提出加稀土的鋼種開發(fā)。認(rèn)為鋼中稀土的催滲機(jī)理，主要是推廣影響鋼的組織來影響氮的滲入間接和直接作用兩個(gè)方面來加速氮原子的擴(kuò)散和氮化物的形成。鋼中的稀土通過細(xì)化晶粒、增加位錯(cuò)、推遲回火轉(zhuǎn)變、增加氮沿晶界位錯(cuò)的短路擴(kuò)散，和影響組織轉(zhuǎn)變影響合金元素的存在方式，促進(jìn)合金氮化物的形成。

5.結(jié)語
氮化工藝的推進(jìn)和提升需要熱處理工作者不斷的努力創(chuàng)新，設(shè)備的改造更新也必須跟上熱處理發(fā)展的步伐。消化吸收提高工藝水平裝備的智能化是努力的方向。氮化成本的進(jìn)一步降低，質(zhì)量的再提高應(yīng)該有潛力可挖。目前，實(shí)施氮化工藝和設(shè)備尚存在這樣或那樣的問題需要解決，需要提升，需要?jiǎng)?chuàng)新，只要我們能夠不斷努力拓展思路，相互借鑒成功經(jīng)驗(yàn)一定會(huì)有所進(jìn)步。

作者簡(jiǎn)介：趙振東，普什模具有限公司