工頻磁場氣體軟氮化工藝試驗探析

林鍵

（福建省機械科學研究院，福建 福州 350005）

福建光澤電爐廠承擔省科委下達的“工頻磁場氣體軟氮化設備的研制”課題，為配合設備研制工作的需要，提供一臺磁場軟氮化工藝試驗爐，委托筆者單位進行磁場軟氮化工藝試驗。下文將介紹試驗情況，并對試驗結果進行分析。

1 實驗設備

廠方提供的試驗爐結構如圖1所示。爐膛尺寸為Φ200 mm×460 mm，其有效空間為Φ200 mm×200 mm（指爐溫均勻區），爐膛采用不銹鋼1Cr18Ni9Ti鋼板制作。爐膛外圍裝有激磁線圈，它既產生磁場又提供熱能；由工頻50 Hz電源供電，用調壓器調節電流大小。

2 試樣材料和工藝參數

試樣材料采用經調質處理過的純鐵和38CrMoAl，軟氮化工藝主要參數見各試驗項目。氨流量為1.5～2 L/min，酒精滴量為20～30 d/min，爐壓為0.196～0.392 kPa。

3 磁場強度的選用

據有關資料報道，氮化層硬度和深度隨著磁場強度的增高而增大，當H=2.1×103A/m時為最大，而后逐漸減小，直至H增加到4.0×103A/m左右，隨后H繼續增高，硬度和深度幾乎不變，如圖2曲線所示。

由于圖2曲線是在石英管爐膛中進行的試驗所得，而現在的試驗爐和今后廠方研制的生產性爐子爐膛均需采用不銹鋼制成。不銹鋼爐膛在磁場中形成一個閉合回路，必然要起到部分屏蔽作用，但是隨著溫度升高，屏蔽效果下降。因此爐膛內實際的磁場強度與爐子繞組數據和電流值的理論計算值差別較大。

為了了解磁場軟氮化過程中爐膛內的實際磁場強度H的數值，我們采用交流磁通測量法，即將測量線圈中所測得的電壓值E代入公式⑴求出交變磁通量，再根據磁場強度與磁通量的關系式1.25×H=φm/5（在空氣中），近似計算出磁場強度H。

式中：E—測量線圈中感應電勢（伏），V；

f—一般為50 Hz；

W—測量線圈匝數；

S—測量線圈的面積，cm2。

由此實測的電爐內磁場強度H的數值如表1所示。

表1 電爐內磁場強度H的實測數值 單位：A/m

本試驗激磁電流選用30 A，因此爐膛溫度在常溫、460～500 ℃、530～570 ℃的情況下，爐膛內的磁場強度分別為（1.4～1.5）×103A/m、（3.2～3.3）×103A/m和3.7×103A/m。

4 軟氮化時間對滲層的影響試驗

在570 ℃和520 ℃兩種試驗溫度下，對純鐵和38CrMoAl二種材料分別進行同一溫度下不同時間的磁場軟氮化和通常的氣體軟氮化對比試驗（其它工藝參數相同）。試驗結果如表2（軟氮化溫度570℃）、圖3、圖4和表3（軟氮化溫度為520℃）、圖5、圖6所示。

4.1 軟氮化溫度為570℃

兩種材料在570 ℃下軟氮化2、4 h結果（見表2）和滲層硬度梯度曲線（圖3、圖4）。

4.2 軟氮化溫度為520 ℃

表2 570 ℃下不同時間的磁場軟氮化和通常氣體軟氮化對比試驗結果

表3 520℃下不同時間的磁場軟氮化和通常氣體軟氮化對比試驗結果

兩種材料在520 ℃下軟氮化4、6 h結果（見表3）和滲層硬度梯度曲線（圖5、圖6）。

由以上檢測結果可以看出：在相同溫度下經不同時間的軟氮化，兩種材料的滲層硬度和滲層深度，磁場軟氮化均高于通常的氣體軟氮化。

5 軟氮化溫度對滲層的影響試驗

對純鐵和38CrMoAl二種材料進行相同時間不同溫度下的磁場軟氮化和通常氣體軟氮化比較試驗，除溫度外其它工藝參數相同。試驗結果如表4（軟氮化時間為4 h）、圖7、圖8和表5（軟氮化時間為6 h）、圖9、圖10所示。

5.1 軟氮化時間為4 h

兩種材料在不同溫度下經4h磁場軟氮化和通常氣體軟氮化結果（表4）；兩種材料在520 ℃下經4 h磁場軟氮化和通常氣體軟氮化滲層硬度梯度曲線如圖7和圖8所示。

表4 不同溫度下磁場軟氮化和通常氣體軟氮化4 h對比試驗結果

5.2 軟氮化時間為6 h

兩種材料在不同溫度下經6 h磁場軟氮化和通常氣體軟氮化結果（表5）；兩種材料在480 ℃下經6 h磁場軟氮化和通常氣體軟氮化滲層硬度梯度曲線如圖9和圖10所示。

38CrMoAl經480℃、10 h磁場軟氮化，化合物層厚度為4～5μm，擴散層深度達250μm，硬度梯度曲線如圖11所示，顯微組織如圖12所示。

6 試驗結果探析

⑴ 從本試驗結果可以看出，無論在相同溫度不同時間，還是在相同時間不同溫度下的試驗，磁場氣體軟氮化所獲得的滲層深度和硬度均明顯地高于通常的氣體軟氮化。

表5 不同溫度下磁場軟氮化和通常氣體軟氮化6 h對比試驗結果

⑵ 對于38CrMoAl（標準的氮化用鋼），磁場軟氮化溫度降低至480 ℃時，仍然可以獲得有效的軟氮化效果（在此溫度下磁場氣體軟氮化6 h滲層表面硬度達Hm50 1072，離表面60μm處的硬度達Hm50 723，擴散層深達165μm，當軟氮化時間延至10 h，擴散層深度就增加至250μm。）而通常氣體軟氮化當溫度在500 ℃以下時軟氮化效果就不明顯，沒有實用價值。較低的軟氮化溫度對于形狀復雜、要求變形小的工件是很重要的。

⑶ 試驗中發現，純鐵軟氮化后的冷卻速度對擴散層的硬度有明顯的影響，快冷（空冷）比慢冷（隨爐冷卻）的硬度高。從顯微組織的觀察中看到，緩冷的組織中有大量針條狀Fe4N析出，因而硬度較低。38CrMoAl鋼就沒有這種現象，軟氮化的冷卻速度對其滲層硬度的影響不明顯。

⑷ 38CrMoAl磁場氣體軟氮化的滲層顯微組織質量優良，沒有出現導致滲層脆性增大的缺陷組織，顯微硬度壓痕完整。

7 結論

本試驗結果肯定了磁場對軟氮化過程有明顯的促進作用。在相同條件下，磁場氣體軟氮化獲得的滲層厚度和硬度明顯地高于通常氣體軟氮化，尤其對于氮化鋼38CrMoAl磁場氣體軟氮化溫度可以降低至480 ℃，實用意義重大（對3Cr2W8、高速鋼等高合金鋼也具有同樣效果）。

本試驗是試探性的初步試驗，工藝參數不是最佳，因此所取得的結果也不是最佳的。所以今后在磁場氣體氮化機理和最佳工藝參數選擇等方面還有大量的工作需要做。