鋼鐵工件多元共滲處理在生產中的應用

鄭立群

（哈爾濱量具刃具集團有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 前言

多元共滲是指對金屬工件表面同時滲入氮和另外一種或幾種元素，滲劑中的物質有的起催滲作用，有的起相互加強作用。

2 氮碳共滲

氮碳共滲是應用早、較為普遍的共滲方法，多稱為軟氮化或低溫氮碳共滲。近年來，這種工藝發展很快，滲劑種類很多，供入方式多樣，應用范圍廣泛。其主要優點是滲速快、滲層脆性小，缺點是滲層較薄，不太適用于重載荷工件。對氮碳共滲原理比較一致的看法是：α-Fe吸收碳迅速達到飽和狀態后析出Fe3C，Fe3C又吸收氮形成Fe3（N.C），即ε相，從而加速滲氮過程。碳有擴大ε相區和降低ε相中含氮量的作用，因而碳有益于形成ε相，防止生成脆性相Fe2N，起到加速滲氮和降低ε相脆性的作用。滲氮氣氛的碳勢較高時，滲層中可生成較多量的Fe3C相，有提高抗滑動磨損性能的作用。氮碳共滲工藝所用的滲劑包括固體、液體和氣體。

固體氮碳共滲處理，一般是將工件埋入盛有固體氮碳共滲劑的共滲箱內，密封后放入爐中加熱，保溫溫度為550℃～600℃，共滲劑可重復多次使用，但每次應加入10%～15%的新滲劑。滲劑配方有：①木炭50%～60%，碳酸鈉10%～15%，氯化鈉3%～7%，黃血鹽25%～35%。滲劑特點：活性較持久，適用于共滲層較厚（＞0.3mm）工件。②尿素25%～35%，蛭石片25%～30%，硅砂20%～30%，混合稀土1%～2%，氯化銨3%～7%。滲劑特點：適用于共滲層厚度≤0.2mm的工件。

固體滲劑一般采用尿素，將固體顆粒狀尿素以一定速度和方式送入共滲爐內，在共滲溫度下發生熱分解，產生活性氮、碳原子滲入金屬表面。尿素加入量對工件表面硬度、化合物層致密度、滲層深度均有影響，以RJT-35共滲爐（坩堝尺寸：φ450×680mm）為例，共滲溫度560℃，保溫3h，尿素由600g/h提高到850g/h，滲層深度有相應提高；當加入量超過1000g/h，表面化合物層出現疏松，硬度降低；加入量超過1000g/h，爐壓力過高，有未完全分解的灰白色粉末狀物質堵塞排氣管道影響正常工作；而加入量過少（＜300 g/h），出現爐壓力低，廢氣不易點燃的問題；因此，尿素加入量750g/h～900g/h效果比較好。

液體滲劑通常采用滴注方式，滲劑有甲酰胺、乙酰胺、三乙醇胺、尿素、甲醇、乙醇等，并以不同比例配制。①采用70%甲酰胺+30%尿素（質量分數）作為滲劑，對3Cr2W8V鋼壓鑄模進行共滲處理，參數：580℃×3h，滲層深度0.08mm～0.12mm，滲層硬度752HV～848HV。②采用三乙醇胺與乙醇（比例1:1）混合滲劑直接滴入共滲爐內，對高速鋼工件進行氮碳共滲，參數：560℃×3h，滲劑滴入量80滴/分～100滴/分，滲層深度0.06mm～0.09mm，硬度948～1018HV，工件使用壽命提高1.5倍以上。③采用甲酰胺作為滲劑對高速鋼刀具（鉆頭、平面銑刀）進行氮碳共滲，參數：560℃×3h，滲劑滴入量3ml/min～5ml/min，氮碳共滲后直接油冷，滲層深度0.08mm，滲層硬度1050HV左右，刀具使用壽命提高2倍以上。由于甲酰胺熱分解溫度比三乙醇胺的低，而且每克分子的碳含量也較三乙醇胺的低，所以在共滲溫度下分解比較完全，析出碳黑也較少，同時，甲酰胺含氮量比三乙醇胺多2倍，因此用甲酰胺作滲劑時，共滲深度較快，效果明顯。

氣體滲劑則單獨或與氨一起通入爐內，有氨+甲烷，氨+丙烷，氨+一氧化碳，氨+二氧化碳，氨+吸熱式氣氛(RX)等進行氮碳共滲。吸熱式氣氛一般由乙醇、丙酮等有機溶劑裂解，或是烴類氣體制備而成。

3 氧氮共滲

氧氮共滲處理的滲劑一般采用氨水（含NH3量為25%～28%）；因為氨水中含NH3量較少，又有通入氨氣，使氣氛中NH3：H2O＝1:1。一般認為：氧有活化工件表面和促進晶界滲透作用，在表面可生成Fe3O4氧化膜，次表面生成鐵的氮氧化合物，氧還可降低氫的分壓，有減輕氫對氮原子滲入的阻礙作用。經氧氮共滲處理的工件，表面為Fe3O4氧化膜，呈均勻多孔性，帶有磁性，易于含潤滑油，提高刀具抗咬合性，顏色為藍黑色；內層為氮化層，組織致密，有較高硬度。我公司生產的φ3～φ12直柄鉆頭，淬回火后均采用氧氮共滲處理，參數采用：滲劑為含NH3量為：25%～28%的氨水，溫度550℃，時間3h，壓力100mm～200mmH2O柱高，工藝成熟，質量穩定，共滲處理后切削壽命提高170%以上，抗腐蝕性提高顯著。

4 氧、硫、硼、碳、氮共滲及稀土元素在共滲中的應用

在一定條件下對高速鋼工件同時滲入氧、硫、硼、碳、氮五種元素，采用滲劑為：①硫脲、硼酸、甲酰胺和乙醇的混合溶液。②乙醇、尿素、硫化物、硼化物和氨水的混合溶液。這種多元共滲在實際中應用結果證明，工件使用壽命比淬、回火的提高2～3倍，比經氧氮共滲處理的提高50%～100%。這種工藝使工件滲層表面形成FeS、Fe3O4、Fe3BO5薄層，可降低摩擦系數，內層為Fe3O4及ε相結構，具有高硬度、高耐磨性和高紅硬性特點。稀土在許多領域已獲得廣泛應用，在多元共滲中稀土元素能夠促進滲劑分解，對金屬表面活化，以H13鋼擠壓模具稀土氮碳釩共滲處理為例，滲層組織中氮碳化物尺寸相對細小，分布更加彌散，滲層硬度遠高于氮碳共滲和滲氮處理的，從表層到心部的硬度分部狀態更為平緩，同時滲層中存在大量VC、VN等合金碳、氮化合物相。

5 結束語

多元共滲在實際生產中有著廣泛的應用，實用價值及挖掘潛力很大，而且工藝不復雜，滲劑配方成本較低，操作方便，可以滿足不同工件的性能要求，由于稀土元素的應用能夠顯著提高元素滲入速度，改善滲層組織，提高滲層性能，因此多元共滲的將有良好的前景。

[1]潘鄰.表面改性熱處理技術與應用[M].北京：機械工業出版社.

[2]郭耕三.高速鋼及其熱處理[M].北京機械工業出版社.

[3]鋼鐵熱處理編寫組.《鋼鐵熱處理》[M]. 上海：上海科學技術出版社.