金屬滲氮技術(shù)的起源、發(fā)展與進(jìn)步

郝賽　杜凱

摘 要：滲氮技術(shù)是在低于鋼鐵材料臨界點(diǎn)Ac1基體不發(fā)生相變的前提下，將活性氮原子滲入制件表層的化學(xué)熱處理工藝。文章論述了滲氮技術(shù)的發(fā)展和演變史，對其應(yīng)用加以介紹。

關(guān)鍵詞：滲氮技術(shù)；起源；發(fā)展

1 滲氮技術(shù)起源

滲氮技術(shù)對于近代金屬表面熱處理工藝來說，已經(jīng)有了百余年的歷史，這種現(xiàn)象已經(jīng)早已出現(xiàn)在古代的生產(chǎn)生活中。在古人制造劍時(shí)，工匠們其實(shí)采用了添加毛發(fā)和指甲的滲碳技術(shù)，大家知道在指甲和毛發(fā)中，含有一定量的氮，工件在處理后，會產(chǎn)生一定的滲碳增氮效果，碳氮共滲的開始很可能就是從此。在古文獻(xiàn)的分析中，僅采用含氮物質(zhì)的處理方法古人也曾實(shí)施。《武備志》中有：“刀方：羊角、鐵石、砂。”其中砂的主要成分就是氯化胺，而氯化胺加熱就會分解出活性氮。除此之外，古文獻(xiàn)中還有以硝作為主要滲劑的表面處理方法?！段锢硇∽R》“器用類·淬刀法”中還提及“以醬同硝涂鏨口，煅赤淬火”其中醬可能是作為黏結(jié)劑，而硝酸鉀為主要滲劑?！蹲潭取芬灿杏浭觯骸皣L見煉新刀者，用豬牙、頭發(fā)及硝，各燒灰等分，釅醋調(diào)畫刀口，如鋸齒狀，號為馬牙鋼。”其中的供氮原料硝是硝酸鉀。硝酸鉀加熱分解出的亞硝酸鉀，會進(jìn)一步在加熱的過程中析出氮原子，故可將硝酸鉀作為滲氮?jiǎng)Ｒ韵跛徕洖闈B氮?jiǎng)┑臐B氮方法，在現(xiàn)在仍被應(yīng)用來代替氰化鹽進(jìn)行液體滲氮。由于氯化胺和硝酸鉀的有效作用溫度均小于700℃，古人處理溫度一般不高，因此，可以認(rèn)為上述處理的主要效果是滲氮。[1]由此可見，滲氮技術(shù)的產(chǎn)生來源于古代人民的生產(chǎn)嘗試，可以說這是一種對于經(jīng)驗(yàn)的升華。下面筆者將具體介紹一下現(xiàn)代的滲氮技術(shù)。

2 滲氮技術(shù)原理

滲氮是在一定介質(zhì)中一定溫度下使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝，是指在不高于A1溫度下氮以鐵的化合物形式和間隙固溶形式存在于被處理件表層，以提高表層硬度，達(dá)到改善材料耐磨性為主要目的的一種表面處理技術(shù)。其實(shí)，傳統(tǒng)的滲氮技術(shù)是把工件放入密封容器中，通有流動的氨氣，并加熱，保溫較長時(shí)間后，氨氣熱分解產(chǎn)生活性氮原子，不斷吸附到工件表面，并擴(kuò)散滲入工件表層內(nèi)，從而改變表層的化學(xué)成分和組織，獲得優(yōu)良的表面性能。倘若在滲氮過程中同時(shí)滲入碳來促進(jìn)氮的擴(kuò)散，把這種滲氮過程叫做氮碳共滲。

3 滲氮技術(shù)發(fā)展

20世紀(jì)初，鋼鐵滲氮進(jìn)入研究階段，獲得工業(yè)應(yīng)用是在20年代以后。在開始階段，氣體滲氮僅限于含鉻鋼和鋁鋼，后來才逐漸擴(kuò)大到其他鋼種。從70年代開始，滲氮從理論到工藝都迅速發(fā)展并且日益完善，適用范圍也不斷擴(kuò)大，成為重要的化學(xué)熱處理工藝之一。

隨著金屬滲氮技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些常用高效的滲碳方法。下面文章將逐一進(jìn)行介紹。

3.1 多段滲氮法

多段滲氮法包括一、二、三段滲氮法。其實(shí)它們是三個(gè)階段。一段滲氮法又稱等溫滲氮。它是是最初的滲氮工藝，也就是就是在同一滲氮溫度下、長時(shí)間保溫的滲氮方法。而二段滲氮方法，是為縮短滲氮的時(shí)間，且保持較高的硬度而發(fā)展。二段滲氮工藝，第一階段一般先在500℃左右滲氮一段時(shí)間，這樣可使工件表面形成高度彌散的氮化物顆粒，從而保證硬度。而三段滲氮是在二段氮化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它可將氮化的時(shí)間進(jìn)一步縮短。[2]

3.2 氣體滲氮技術(shù)

氣體滲氮以提高技術(shù)的耐磨為主要目的，為了能夠獲得高的表面硬度。氣體滲氮過程，可以簡單分成分解，吸收和擴(kuò)散三個(gè)階段。通常用氮化爐氮化，氮化爐氮化就是往不銹鋼真空密封罐中通入氨氣，加熱到520℃，保持適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，使?jié)B氮工件表面獲得含氮強(qiáng)化層，得到高硬度，高耐磨性，高疲勞極限和良好的耐磨性。

3.3 鹽浴滲氮技術(shù)

鹽浴滲氮工藝作為一種旨在改善材料表層硬度和耐磨性的表面改性技術(shù)，其發(fā)展經(jīng)歷了約一個(gè)世紀(jì)，從最初以劇毒氰化物為主元的鹽浴成分逐步發(fā)展為以氰酸鹽為主元的無污染低溫鹽浴滲氮處理系列技術(shù)。[3]

3.4 離子滲氮技術(shù)

離子滲氮是將工件放在輝光放電裝置的真空容器中，工件為陰極，容器壁或另設(shè)金屬板為陽極，充有稀薄的含氮?dú)怏w，在直流高壓的電場的作用下，氣體原子電離成離子，使之以較高的速度撞擊工件，陰極表面上氮離子失去能量被工件吸收，并向內(nèi)部擴(kuò)散形成滲氮層的過程。

4 滲氮技術(shù)的進(jìn)步

隨著工業(yè)的現(xiàn)代化高速發(fā)展對高生產(chǎn)率的需求以及人們對生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性的追求，滲氮技術(shù)隨之有了新的發(fā)展和提升。新技術(shù)的提升在于工藝的優(yōu)化、方法的改良或是制備途徑的創(chuàng)新。

4.1 增壓氣體滲氮

增壓脈沖工藝不僅可降低氨分解率、提高滲速，能節(jié)約氨氣25%左右，而且有較好的滲層質(zhì)量和較高的滲氮速度，此工藝能在大面積裝爐量的情況下，得到良好的工藝效果。[4]

4.2 真空脈沖氮碳共滲

真空脈沖氮碳共滲，采用脈沖法進(jìn)行共滲，氣源為氨氣和無水乙醇。從實(shí)驗(yàn)來看，相比真空滲氮，真空氮碳共滲得到的工件有更高的抗咬合性和耐磨性，而且周期短，脆性小。真空脈沖氮碳共滲處理的工件，滲層均勻、致密。它不但襲承真空滲氮的優(yōu)點(diǎn)，而且以其脆性小、滲速快、抗咬合性和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，使經(jīng)其處理過的模具壽命大幅提高，企業(yè)經(jīng)濟(jì)也有增益。

4.3 真空脈沖滲氮

真空脈沖滲氮技術(shù)是指在近似真空環(huán)境下（一般為-0.1MPa），向滲氮爐中通以氨氣而進(jìn)行滲氮的技術(shù)。如果在真空滲氮中我們改變其工藝參數(shù)等條件，可以對滲氮層的成分以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。對于其他滲氮技術(shù)不好滿足要求的狹縫及微孔滲氮來說，真空脈沖滲氮技術(shù)為其帶來了福音。脈沖滲氮，從字面上就能理解，我們采用脈沖式供氮，這樣工件上的一些不易滲氮的結(jié)構(gòu)，如盲孔以及壓緊的平面，都可以得到良好均勻的滲氮結(jié)果。故此，爐內(nèi)可以裝較多工件而不必?fù)?dān)心滲氮不均勻的問題。真空脈沖滲氮技術(shù)，生產(chǎn)效率高，氨氣消耗量少，且有害氣體產(chǎn)生少。

4.4 活性屏離子滲氮技術(shù)

活性屏離子滲氮技術(shù)是指在一個(gè)放在真空容器的鐵網(wǎng)狀的圓筒上接上高壓直流電源，工件則在網(wǎng)罩的中間，工件或是呈電懸浮狀態(tài)，或是與100V左右的直流負(fù)偏壓相接。接通電源后，在低壓反應(yīng)室里的氣體被電離。被激活的離子會在直流電場作用下轟擊圓筒的表面，離子撞擊產(chǎn)生的動能在圓筒表面轉(zhuǎn)變成熱能，圓筒從而被加熱。待微粒吸附到工件表面，高含氮量的微粒便向工件內(nèi)部擴(kuò)散，達(dá)到滲氮的目的。[5]

5 滲氮技術(shù)的未來展望

滲碳技術(shù)能夠提高金屬材料的耐磨性、抗疲勞性、耐蝕性及使用壽命。能使表面改性顯著，且處理前后尺寸變化小，保持制件的精度。金屬熱處理的初衷就是加強(qiáng)材料的力學(xué)以及工性能。而普通的熱處理已經(jīng)逐漸不能滿足對人們生產(chǎn)的需求。我們愈發(fā)需求的是材料的表面高強(qiáng)度或是表面優(yōu)良性能，既在不影響材料使用性能的的前提下，盡量對材料的局部進(jìn)行改變而非全盤改變。表面工程技術(shù)很好地解決了這個(gè)問題，而表面滲氮技術(shù)作為表面工程技術(shù)的一個(gè)重要分支，在金屬表面處理中發(fā)揮著愈來愈重要的作用。在21世紀(jì)里，隨著滲氮工藝的不斷完善，低成本、高精度、高質(zhì)量，且有利于環(huán)保的滲氮新技術(shù)將是滲氮技術(shù)發(fā)展的重要方向。

參考文獻(xiàn)

[1]唐電，邱玉朗，陳再良.中國古代的鋼鐵滲碳和滲氮技術(shù)[J].金屬熱處理，2002，27（8）：50-53.

[2]胡明娟，潘健生.鋼鐵化學(xué)熱處理原理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1996.

[3]韋習(xí)成.鹽浴滲氮技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展思考[J].熱處理，2005，20（2）：16-19.

[4]翟寶隆.增壓氣體滲氮探討[J].金屬熱處理，1998，8：27-28.

[5]趙程.活性屏離子滲氮技術(shù)的研究[J].金屬熱處理，2004，29（3）：1-4.