氮化處理是指一種在一定溫度下一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。經(jīng)氮化處理的制品具有優(yōu)異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫的特性。本期主要說說鋼鐵零件表面氮化那些事兒......

 

氮化工藝是在20世紀(jì)初期開發(fā)出來的，目前在很多工業(yè)應(yīng)用都在繼續(xù)發(fā)揮重要作用。它已經(jīng)發(fā)展成為一種非常重要的表面強(qiáng)化工藝方法，氮化通常用于：

 

■ 飛機(jī)

■ 軸承

■ 汽車部件

■ 紡織機(jī)械

■ 渦輪發(fā)電系統(tǒng)

 

雖然它還包裹著一點(diǎn)點(diǎn)“煉金術(shù)的神秘”，但它仍然是最簡單的硬化技術(shù)。氮化過程的秘密在于它不需要從鐵素體到奧氏體的相變，也不需要從奧氏體到馬氏體的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。換句話說，在整個(gè)過程中，鋼可以始終保持著鐵素體相（或滲碳體，取決于合金成分）。

 

這意味著鐵素體（體心立方晶格或bcc晶格）的分子結(jié)構(gòu)不需要不改變或轉(zhuǎn)變成奧氏體的面心立方（fcc）晶格特征。在更為傳統(tǒng)的滲碳方法中卻需要晶格特征的轉(zhuǎn)變。此外，因?yàn)閮H發(fā)生在自由冷卻，而不是快速冷卻或淬火，所以不發(fā)生隨后從奧氏體到馬氏體的相變過程。

 

再次，沒有分子尺寸變化，更重要的是，沒有尺寸變化，由于氮擴(kuò)散引起的鋼表層體積只有輕微變化。在氮化過程中，產(chǎn)生的變形是由熱量釋放誘導(dǎo)產(chǎn)生的表面應(yīng)力，引起了扭曲和彎曲形式的運(yùn)動(dòng)。

 

氮化是一種將新生氮擴(kuò)散到鋼和鑄鐵表面的鐵素體熱化學(xué)方法。這種擴(kuò)散過程主要依賴于氮在鐵中的溶解度，如鐵-氮平衡圖所示（圖1）。

圖1  鐵氮平衡相圖

 

氮在鐵中的溶解度極限是具有溫度依賴性的，在450℃（840°F），鐵基合金將吸收高達(dá)5.7％至6.1％的N。除此之外，合金鋼表面相的形成主要傾向于是ε相。

 

氮在的溶解度受鋼中含碳量的強(qiáng)烈影響：一般來說，碳含量越大，形成相的可能性越大。當(dāng)溫度進(jìn)一步增加到490℃（914°F）的γ'相形成溫度時(shí)，溶解度的“窗口”或極限在大約680℃（1256°F）的溫度開始下降。

 

平衡圖顯示控制氮擴(kuò)散對于氮化工藝成功是至關(guān)重要的（如圖1所示）。必須遵守和控制多個(gè)操作過程參數(shù)以便成功地執(zhí)行氮化工藝。大多數(shù)工藝參數(shù)可以用相對簡單的儀器和方法控制。

用于氣體氮化的工藝參數(shù)包括：

 

• 爐溫

• 過程控制（見下面的討論）

• 時(shí)間

• 氣流

• 氣體活度控制

• 過程室維護(hù)

 

除了引起的殘余應(yīng)力以外，所有這些因素都有助于減少工藝中的變形。氮化的另一個(gè)好處是，它可以對鋼提供額外的回火處理作為穩(wěn)定工藝。

 

工藝參數(shù)的控制是非常重要的，目的是獲得良好的表面冶金狀態(tài)。沒有有效地工藝控制就不能保證冶金質(zhì)量的可重復(fù)性。

 

工藝控制參數(shù)是確保氮化受控并且結(jié)果可接受的重要因素：

 

• 氮化總表面積

• 密封處理室內(nèi)氣相壓力

• 氣體輸送壓力系統(tǒng)進(jìn)入密封處理室

• 來自密封處理室的廢氣系統(tǒng)

• 氮化前控制預(yù)熱處理程序，包括應(yīng)力消除，預(yù)硬化和回火

• 氮化前鋼表面預(yù)處理的質(zhì)量和完整性

• 一致的鋼化學(xué)特性，最大限度地“氮化”

 

在20世紀(jì)初，Adolph Machlet在新澤西州伊麗莎白的美國天然氣公司工作，擔(dān)任冶金工程師。他認(rèn)識(shí)到由于在高溫下延長時(shí)間，接著嚴(yán)重淬火不管是水還是油，滲碳表面硬化技術(shù)都可能導(dǎo)致產(chǎn)生變形問題。

 

通過實(shí)驗(yàn)，Machlet很快發(fā)現(xiàn)氮極易溶于鐵。氮擴(kuò)散在鐵或低合金鋼中產(chǎn)生相對硬的表面，并且顯著改善耐腐蝕性。這是在不使鋼經(jīng)受高溫的情況下完成的，更重要的是，不需要使鋼快速冷卻以獲得硬的耐磨表面。它現(xiàn)在可以在處理室內(nèi)自由冷卻，同時(shí)仍然在氮基氣氛的保護(hù)下，從而降低變形的風(fēng)險(xiǎn)，但仍然可以產(chǎn)生耐腐蝕性良好的硬質(zhì)耐磨表面。

圖2  氮化過程化學(xué)反應(yīng)

 

在氮化的過程中，氨通過熱分解或“裂化”以釋放該過程所需的新生氮。不久以前，Machlet意識(shí)到他需要精確地控制氨的分解。他通過使用氫氣作為稀釋氣體來減少可用的新生氮的量，從而在一定程度上控制的表面冶金來實(shí)現(xiàn)。工藝氣體控制背后的理論基礎(chǔ)是人們現(xiàn)在被稱為“白層”或“化合物區(qū)”的認(rèn)識(shí)。圖3示出了氮化層的簡單結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)注意，該示意圖不是按比例繪制的。

圖3  氮化層結(jié)構(gòu)簡單示意圖

涉及氮化工藝的第一個(gè)專利出現(xiàn)在1908年3月，在新澤西州伊麗莎白市申請。該專利最終在初始申請后約第五年，于1913年6月被批準(zhǔn)。Machlet在他的專利申請之前已經(jīng)進(jìn)行了多年的工作，并繼續(xù)開發(fā)新工藝和強(qiáng)化他對獲得工藝冶金過程的理解。該專利是“在引入過量氫氣的氨氣氣氛中鋼鐵的氮化”。

 

雖然Machlet的新滲氮工藝的開發(fā)和專利在技術(shù)上很重要，但他的工作仍然很大程度上未被廣泛認(rèn)識(shí)。即使在今天，也很少有滲氮專家知道他是誰，他完成了什么。大多數(shù)熟悉氮化過程的冶金學(xué)家都知道德國研究員Adolph Fry的工作，他被公認(rèn)為“氮化之父”。雖然Fry的工作更多地被公開，他的方法在許多優(yōu)秀的冶金學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)都有講授，然而，Machlet才是氮化工藝的真正先驅(qū)。

 

在德國，Adolph Fry在埃森的克虜伯鋼鐵廠正在進(jìn)行一個(gè)平行研究計(jì)劃。這個(gè)程序由Dr. Adolph Fry在1906年領(lǐng)導(dǎo)。像Machlet一樣，Fry認(rèn)為氮在高溫下非常易溶于鐵。他在工作早期也認(rèn)識(shí)到合金元素強(qiáng)烈影響氮化的冶金和性能結(jié)果。在第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束三年后，弗雷1921年申請了他的專利。他的專利于1924年3月批準(zhǔn)。

 

他使用類似于Machlet的技術(shù)，其中氮源必須通過熱裂解以釋放氮用于反應(yīng)和擴(kuò)散。像Machlet一樣，Fry使用氨氣作為源氣體，但他沒有使用氫氣作為稀釋氣體。因此開發(fā)了如今已知的單級(jí)氣體氮化工藝。

 

然后，Fry研究了合金元素對表面硬度的影響。他發(fā)現(xiàn)，氮化工藝僅在含有鉻、鉬、鋁、釩和鎢的鋼上產(chǎn)生高的表面硬度，所有這些都形成了所謂的“穩(wěn)定的氮化物”。

 

他還發(fā)現(xiàn)了工藝溫度在表面氮化深度和表面冶金質(zhì)量方面的關(guān)鍵影響。在較高溫度下處理鋼使得表面存在產(chǎn)生“氮化物網(wǎng)絡(luò)”的風(fēng)險(xiǎn)中。

因?yàn)榫哂休^高合金含量的鋼不容易用于氮化，Fry負(fù)責(zé)開發(fā)被稱為“Nitralloy”組的用于Krupp的一組鋼。這些鋼，特別設(shè)計(jì)為氮化鋼，很快成為國際公認(rèn)。

 圖4  齒輪等構(gòu)件的氮化處理

 

此后不久，在20世紀(jì)20年代末，一家位于英國謝菲爾德的公司也開始在克虜伯鋼鐵有限公司的指導(dǎo)下開發(fā)一組氮化鋼。這些鋼也以Nitralloy品牌名稱銷售。該公司是Thomas Firth和John Brown Steelworks，更常被稱為Firth布朗鋼。來自Firth Brown的鋼被稱為“LK”組，由英國標(biāo)準(zhǔn)970指定為En 40A，En 40B，En 40C，En 41A和En 41B。為氮化應(yīng)用開發(fā)的這些是鉻-鉬鋼（化學(xué)成分見表1）。

 

En 41系列含有鋁，氮化后產(chǎn)生更高的表面硬度。鋁對氮具有強(qiáng)的親和力，形成非常穩(wěn)定的非常硬的氮化鋁，其量高達(dá)1.0％Al。遠(yuǎn)超過1.0％以后，鋁對氮化后的表面硬度沒有影響。

 

美國和德國進(jìn)程之間存在一定的差異。美國與德國的方法之間的主要區(qū)別是：

 

• 美國工藝使用氫氣作為稀釋劑氣體來控制氣體和鋼的氮化勢，這又控制了最終的表面冶金質(zhì)量。

• 德國人通過合金化操作該工藝，并在核心硬度和抗拉強(qiáng)度等方面進(jìn)行改進(jìn)。

 

Machlet的工藝在美國沒有被廣泛接受，因?yàn)樗�被認(rèn)為對美國工業(yè)沒有什么商業(yè)價(jià)值。相比之下，德國人在第一次世界大戰(zhàn)后的早期就利用了Fry的工藝。在整個(gè)歐洲，德國工藝在飛機(jī)、紡織、鐵路、汽車和機(jī)床行業(yè)獲得巨大成功。

圖5  常用氮化工藝方法

 

在20世紀(jì)20年代中后期，關(guān)于Fry的成功的消息開始影響到美國工業(yè)家，促使制造工程師協(xié)會(huì)（SME）對德國的氮化工藝的發(fā)展產(chǎn)生了濃厚的興趣。

 

Zay Jeffries博士從俄亥俄州克利夫蘭來到德國，于1926年訪問克虜伯鋼鐵公司和Fry博士。正是在這次會(huì)議上，杰弗里斯建議Fry，他參加即將在芝加哥舉辦的年度中小企業(yè)會(huì)議，并介紹論文中的工藝技術(shù)和應(yīng)用。Fry不能出席，所以他的朋友和同事皮埃爾·奧貝爾代表他做了一個(gè)演講。該演講促進(jìn)了氮化工藝在美國的商業(yè)化。

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