氮化工艺技术的新进展

sunny2008

氮化工艺具有处理温度低，工艺周期长的特点，经过氮化处理的零件硬化层浅,表面硬度高，主要应用于承受载荷较低的零件。由于工艺技术的特点和获得性能不足，尤其对于不锈钢零件的处理，表面稳定的氧化膜问题使工艺的实施增加许多麻烦等。近年来，为了进一步扩展改善氮化工艺技术，使性能得到进一步提高，热处理工作者不断努力探索使氮化技术逐步向前推进，不断有新的突破，获得可喜成果。

本文收集总结一些氮化工艺技术亮点或突破，供给同行供参考。其主要目的：提供方法，拓宽改变思路，借鉴成果，以促进氮化工艺技术的提升和发展。

1.不锈钢的氮化
众所周知，对于不锈钢由于表面存在的稳定氧化膜问题，会阻止氮原子的渗入。在实施氮化前必须首先清除或活化氧化膜。传统的做法是：磷化、喷砂、酸洗或向炉内通入(添加)氯氟及硫磺系列的活化剂,去除或破坏保护膜使其表面活化,以有利于氮的渗入。然而,活化剂不仅对零件表面均有不同程度的损伤，而且对炉衬、加热元件和测试装置均有一定的伤害。

为了解决不锈钢的氮化问题，有人对于奥氏体不锈钢氮化进行研究，在氮化前预先在真空渗碳炉中对不锈钢进行浅层渗碳处理，通过真空渗碳处理使碳与Cr元素结合，以去除稳定的保护膜，这样就不用担心保护膜的阻挡作用，可以采用通常的气体氮化炉直接实施表面硬化。结果表明，氮化效果良好，表面硬度可以达到 1000HV0.1, 其耐磨性也与常规氮化相当。此工艺技术实际是一种复合化学热处理，虽然解决了氮化问题，但是由于前期实施的渗碳温度较高，热处理变形相对增加，实际应用应该慎重考虑。

传统磷化作为不锈钢的氮化前处理也有所应用，但由于存在一定问题，实际应用受到限制。为了解决AISI420不锈钢的直接氮化问题，作者对磷化处理剂进行筛选优化试验，采用LD-2311不锈钢专用磷化剂，选择90～100℃，10～15min处理方案,作为氮化的前处理进行生产性应用。结果表明，此方法不仅简单、稳定，而且使氮化速度加快，渗层无脆性，表面硬度可以达到1180HV。成功的解决了可控氮化炉不能进行不锈钢氮化的难题。

2.先进热处理设备及检测
为了可靠提升氮化质量和生产效率，降低生产成本，近年来，高性能智能化的专用氮化炉相继推出，并投入生产使用表现良好技术和经济效果。我公司购置使用德国LPSEN（见图1）和IVA智能化可控氮势氮化炉（见图2）生产零件质量稳定可靠，其性能高于常规氮化质量，成本明显降低，表现优良的技术和经济效果。该炉型配备了先进可靠的智能化氮化控制系统，可以有效实现对氮势设定或可靠控制，获得不同工艺要求的氮化质量；配备了快冷却装置（IVA真空氮化炉有两种冷却方式可供不同工艺要求选择）实现氮化完成后的快速降温，有效缩短工艺周期，并使表面能够得到较常规氮化更高的硬度；配备了高寿命氢探头（已经使用10年）保证氮势的可靠调节或控制。此外，炉的密闭性达到高标准，在封闭式厂房运行基本嗅不到氨的气味，作到了完全无公害的绿色生产条件。




多年使用验证，该智能化氮化炉是应该替代常规氮化炉的最佳炉型，推广使用将会彻底摆脱氮化质量不良，环境条件差的不利局面。

3.工艺技术改进
一种新工艺是加压氮化，其方法是提高炉内压力，对具有复杂形状的合金钢零件显示良好效果。对于小直径深盲孔（小于0.40mm）都能够获得满意氮化效果。对于钛合金的氮化可以将温度减低到600℃。

为了解决氮化周期长的问题，有人提出脉冲或循环两段快速氮化的概念，该工艺是将多个周期较短的两段氮化加以循环，在每个循环的不同阶段确定不同的控制环节，同时使界面吸收与扩散的速度充分匹配，相互促进，循环加速充分利用扩散和强渗的高速段提高氮化速度。试验表明，采用此工艺氮化周期较常规工艺周期缩短1/3～1/2。其提高氮化的速度是明显的。

不同催渗方法的应用使氮化工艺过程大大缩短，性能得到改善，受到广大热处理工作者的关注。近年来，研究较多的有：稀土、碘、活性钛、预氧化等，关于催渗机理虽然有不同的解释。但是，基本原理均是建立在提高气氛的活性和改善表面状态两个方面。

众所周知，氮化零件表面活性对于氮化有明显影响，我们在生产过程发现，同样钢材加工方式的不同，精加工或磨加工氮化效果有所不同。说明表面活性对实际氮化有一定的影响。为了定性表面状态的影响，有人对不同的表面状态计算活性系数，其结果为：精抛为0.20，冷拉0.30，粗抛0.45，喷砂085，化学侵蚀0.90。且在同样条件进行试验。结果表明，随着活性系数增大，重量依次增加，可以证明，氮化零件表面活性对实际氮化的作用不可忽视。

预氧化氮化是近年来提出的一种新的氮化工艺，其原理是氮化入炉不急于换气，而是在低于氮化温度的氧化气氛条件下加热使表面生成一定的氧化膜（主要为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。实际应用表明，氮化初期表面形成的Fe3O4层能与氨反映形成ε氮化物，同时氮可以迅速穿透该层渗入金属基体，并在基体中形成γ氮化物。结果可以证明，预氧化形成的Fe3O4氧化膜 对氮化不但没有阻挡作用，相反有一定的显著的促进作用，与常规氮化比较，其氮增量贡献率达到45%。

有人采用40Cr和38CrMoAi钢的试验表明，短时间预氧化获得的氧化膜可以加速渗氮和氮碳共渗，而长时间（大于0.5h）对氮化有抑制作用。试验对比提出，在580、550和620℃预氧化5～10min能使氮化加速30%～50%。

关于预氧化氮化的催渗机理，提出两种观点：一是预氧化表面和预氧化层内部本身的疏松多孔结构有利于氨的分解，释放原子氮；另一方面是反应所释放的氧被吸附进入材料造成氧氮共渗，而氧的共渗对氮化过程有一定的促进作用。值得指出，预氧化对于大多数钢是有效的。对于表面形成其他类型的氧化物为主的高合金钢，其效果有待于进行深入研究。

对于预氧化氮化的问题报道的结果有一定差异，认为造成结果不同的原因，不外呼是试验或生产的条件（预氧化工艺、设备和材料等）的不同所致。但是，大多数的研究均认为预氧化促进氮化的作用是有效的。

氮化前钢的组织硬度对氮化有一定影响，试验数据（见表1）表明，作为预先热处理调质，尽可能提高有利于氮化效果的提升。

表1 预先热处理调质硬度对氮化的影响

材料	基体硬度HRC	至表面的距离 (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，随着40Cr、35CrMo钢调质硬度的提高氮化表面硬度提高，深度变浅。可以认为，回火温度的提高材料基体中的合金炭化物将会聚集张大，减少了炭化物的弥散度，从而降低了氮化时氮的阻力，表现渗速加快，层深增加。

4.新钢种开发
为了改善或提高钢的氮化性能，氮化专用钢的研究一直不断在进行。研究认为，钢的化学成分是影响氮化的主要因素，钢中碳和氮的溶解是相互排斥的，在满足钢性能的前提下，降低碳含量有益于氮化速度的提高。基于该思路，调整优化化学成分推出的28CrMoV新氮化钢具有优于38CrMoAi钢的强韧性，又具有常规Mo-Cr和Mo-Cr-V合金钢的更优异氮化性能。同样氮化条件下，氮化周期可以大幅度缩短。

研制低碳无铝和低铝的氮化钢（见表2）与传统38CrMoAi钢的各项性能进行综合比较，结果表明，在同样氮化条件下无铝氮化钢有较高的渗层深度和硬度，且硬度剃度平缓，表现出良好的综合氮化性能。

表2 无铝和低铝的氮化钢成分（质量分数） （%）

钢  种	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

关于稀土的催渗作用研究表明，汽化催渗作用远不如添加钢中的作用。为此，提出加稀土的钢种开发。认为钢中稀土的催渗机理，主要是推广影响钢的组织来影响氮的渗入间接和直接作用两个方面来加速氮原子的扩散和氮化物的形成。钢中的稀土通过细化晶粒、增加位错、推迟回火转变、增加氮沿晶界位错的短路扩散，和影响组织转变影响合金元素的存在方式，促进合金氮化物的形成。

5.结语
氮化工艺的推进和提升需要热处理工作者不断的努力创新，设备的改造更新也必须跟上热处理发展的步伐。消化吸收提高工艺水平装备的智能化是努力的方向。氮化成本的进一步降低，质量的再提高应该有潜力可挖。目前，实施氮化工艺和设备尚存在这样或那样的问题需要解决，需要提升，需要创新，只要我们能够不断努力拓展思路，相互借鉴成功经验一定会有所进步。

作者简介：赵振东，普什模具有限公司