氣體氮碳共滲工件質量的檢驗及其控制

鐘新武

武平縣不銹鋼技術研發中心，福建 龍巖 364300

氣體氮碳共滲工件質量的檢驗及其控制

鐘新武

武平縣不銹鋼技術研發中心，福建 龍巖 364300

氣體氮碳共滲是提高金屬材料表面耐磨性、耐蝕性、抗疲勞等性能有效的化學熱處理，在機械制造業中廣泛應用。本文以金相分析為手段，在仔細探索其規律的同時，對其質量檢驗與質量控制提出了獨到的見解，對生產實踐具一定的指導作用。

氣體軟氮化；過程；規律；預處理；共滲工藝；金相檢驗；顯微硬度試驗

氣體氮碳共滲又稱氣體軟氮化，是一種以滲氮為主的氮碳共滲工藝，是將活性氮原子滲入鋼的表面，從而改變鋼的表面成分，因而提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性和抗疲勞性等的一種化學熱處理。其主要特點是處理溫度低、零件變形小，具良好的耐蝕性、耐磨性，這些，皆同于硬氮化，但卻優于硬氮化：其工藝周期較短、無明顯的氮擴散層、表面脆性較小，因而在機械制造業中廣泛應用，掌握其實踐規律，進而自如地控制其質量就顯得更為緊迫和必要。

有關文獻指出：（1）金相檢驗是常規的軟氮化質量的檢驗手段。（2）硬度是金屬材料力學性能重要指標之一，顯微硬度是表征顯微組織硬度的一個重要指標，顯微硬度試驗與金相檢驗一起，成為人們判斷軟氮化質量優劣的重要手段。

1 氣體軟氮化的實踐規律

（1）圖一顯示的是08鋼（含碳0.05～0.10%）氣體軟氮化后的金相組織：表面白色化合物層較寬（約0.046mm），最表層有較多的疏松孔隙（深約0.02～0.03mm），第二層為氮化馬氏體及殘余奧氏體組織（深約0.01mm），并出現部分黑色針狀回火馬氏體，里層為含氮鐵素體及少量顆粒狀三次滲碳體。滲層各層的顯微硬度值如下：表面疏松區為452HV；白色化合物層為604HV；氮化馬氏體層為509HV；里層鐵素體為173HV；表層雖有較多的疏松孔隙，但未連成片，僅降低一些硬度，仍屬合格疏松級別。圖二顯示的是45鋼（含碳0.42～0.49%）氣體軟氮化后的金相組織：表面白色化合物層約有0.01mm，顯微硬度為508HV；基體組織為球粒狀珠光體，在基體上有少量分散分布的黑色針狀γ，相（Fe4N）,它一直延伸至心部。擴散層的顯微硬度值如下：離表面0.03mm處為235HV；0.08mm處為233HV；0.13mm處為193HV（球化退火后的硬度范圍）。由此可見，在氣體軟氮化過程中，鋼中的含碳量直接影響共滲時的擴散速度和深度：含碳量增高，共滲時的擴散速度和深度下降，這是因為鋼中的滲碳體及片狀珠光體量相對增多，使得易溶解氮的鐵素體量相對減少，從而減少了滲層深度。

圖一 500?

圖二 500?

（2）圖三顯示的是40Cr在氣體軟氮化后的金相組織：最表層呈灰褐色的是氧化層組織；白亮層深度約為0.018～0.022mm；次層為ε相化合物，一般疏松層；接下來是較致密的ε相化合物，基體以索氏體為主。通過對圖二、圖三的金相對比可發現：在氣體軟氮化過程中，鋼中的合金元素，尤其是能溶入鐵素體從而提高氮在α相中的溶解度的合金元素（W、Mo、Cr、Ti、V、Zr、Nb），對共滲過程及程度有很大影響，它們的氮化物穩定且呈高度彌散分布，在高溫下不溶于鐵也不聚集。

圖三 500?

（3）圖四顯示的是45鋼在氣體軟氮化后的金相組織：表層為ε相化合物，其中有三分之一疏松層；基體為片狀珠光體以及塊狀鐵素體（很明顯，工件未經調質處理），這基體很不利于氮原子的擴散，故層下未見彌散ε相化合物。再把圖三、圖五的金相組織作個比較，圖五顯示的金相組織為：表面白亮層——ε相化合物致密層約為0.018～0.02mm，最表面有少許疏松層，基體為片狀珠光體和鐵素體（顯然，工件未經調質處理），它不利于氮原子的擴散，因而層 下未見彌散ε相化合物。圖四、圖五工件的共滲時間也有延長。綜上所述，氣體軟氮化應在調質或球化退火后進行，因為，索氏體組織有利于氮的吸收，對工件變形的控制也更容易。

圖五 500?

圖六 400?

2 幾種典型材料的氣體軟氮化工藝及其金相組織

特別強調，工件欲滲表面須用工業汽油、毛刷仔細清洗，將其整齊擺放在特制吊籃中，欲滲表面不可相互觸碰，裝好爐后才開始以下工序（ α-氨分解率，P-爐內壓力高過爐外的水柱高度/ mm）。

2.1 球鐵

（1）工藝：A、320℃保溫2.5小時后通入NH3、CO2（氨氣流量的1/20——1/18）B、530℃保溫2.5小時，α15-20，P100-120 C、560℃保溫4小時，α50-55，P120-150

（2）金相組織

圖六試樣經正火、上述工藝軟氮化后的組織，表面白亮層為化合物層，擴散層為回火屈氏體及彌散分布的γ，相（Fe4N）,心部為細回火屈氏體。球鐵工件共滲后，表面有球墨處氮不能滲入球墨，但氮與球墨周圍的金屬基體起作用，形成一薄層氮化合物，環繞著石墨四周。

2.2 高鉻模具鋼Cr12MoV

（1）共滲前預處理—球化退火 860℃保溫3.5小時爐冷至730℃保溫7小時，爐冷至500℃下出爐。

（2）共滲工藝：A、300℃保溫2小時后通入NH3、CO2；B、530℃保溫3.5小時，α15—20，P100—120 C、570℃保溫6小時，α35—40 ，P130-160

（3）金相組織：如圖八，心部基體為索氏體及球粒狀珠光體，其中有塊狀和顆粒狀分布的共晶碳化物及二次碳化物。表面有一層白色富氮ε相，其中有頗多隱約可見的顆粒狀碳化物，稍向里為滲氮擴散層，出現多量粗的脈狀分布的氮化物，這組織表明，共滲時氮濃度很高，以至于滲氮層表面獲得氮濃度較高的顯微組織，這層組織厚而脆，易在使用中剝落。

圖八 500?

圖九 500?

2.3 奧氏體耐熱鋼 5Cr21Mn9Ni4N

（1）共滲前預處理

A、固溶處理：1150℃保溫后風冷。

B、時效：750℃保溫后空冷。

（2）共滲工藝

A、320℃保溫2小時后通NH3、CO2； B、470℃保溫5小時 ，α15—18 P100 C、560℃保溫5小時，α45—55 P120 D、爐冷3小時，α55—60 P140

（3）金相組織：如圖九，浸蝕劑為20ml水+20ml鹽酸+4g硫酸銅，最表層的灰褐色層（厚約7μm）為氧化物，其中最表面白色橫向線為原ε相，深約2.5μm(本試樣為排氣門，已經過500小時運行)；第二層黑色柱狀晶帶為高濃度氮的擴散層；第三層白色帶狀區為低濃度氮的擴散層，至里為母材奧氏體晶粒，其上布有細小黑色碳化物顆粒。

3 結束語

筆者在十幾年的生產實踐中參閱有關文獻，對氣體軟氮化的規律、質量控制進行了詳盡的探索：

（1）因鐵的氮化物在560℃以上就會分解，軟氮化的溫度常定于480--580℃間。

（2）該工藝的關鍵在于把氨分解率控制在15--65%間。

（3）軟氮化時，母材中的含碳量提高，擴散速度、深度會下降。

（4）W、 Mo、 Cr、 Ti、 V、Zr、Nb均能溶入鐵素體而提高氮在α相中的溶解度，形成的氮化物穩定且呈高度彌散分布。

（5）該共滲處理應在調質或球化退火處理后進行。

（6）從上可看出金相分析、顯微硬度試驗在軟氮化質量檢驗與控制中的重要作用。

以上六點，是實現好的軟氮化質量之關鍵。

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[1]崔忠圻.金屬學與熱處理[M].機械工業出版社，2007.

[2]王運炎.機械工程材料[M].機械工業出版社，2001.

[3]趙新兵.材料的性能 [M].高等教育出版社，2006.

[4]胡義祥.金相檢驗實用技術[M].機械工業出版社，2012.

[5]陸興.熱處理工程基礎[M].機械工業出版社，2007.

[6]王忠誠.熱處理常見缺陷分析與對策[M].化學工業出版社，2008.