不銹鋼氣體滲氮熱處理工藝的研究

劉澎濤

摘要：滲氮的目的是為了提高鋼制件的表面硬度、耐磨性、疲勞強度及抗腐蝕能力，因而被廣泛用于動力機器制造工業。本文以3Cr13材料滑板為例，對不銹鋼各種滲氮方法進行論述，總結出一種切實可行的不銹鋼氣體滲氮法。

關鍵詞：不銹鋼3Cr13、滲氮

前言：

不銹鋼滲氮主要是用來提高表面硬度和耐磨性能，氮化后其抗蝕性能和熱穩定性反而比基體有所降低。因此對不銹鋼零件只有要求高硬度、耐磨的情況下，才進行滲氮處理。而對不需要的高硬度、耐磨的表面，應盡可能采取措施進行保護。

不銹鋼滲氮的硬度、滲氮層深度及沿層深的顯微硬度分布曲線大致相同。其相結構為表面ε相（合金碳氮化合物），往里為ε加γ相，再往里γ'相，最后為擴散層，其為在α相基底上分布著彌散合金碳氮化合物。鋼中含碳量提高，促進碳氮化合物的形成。但不銹鋼表面存在一層極薄而致密的鈍化膜，阻礙著對氮原子的吸收，若不把鈍化膜去除，則得不到滲氮層。所以不銹鋼的滲氮工藝與普通結構鋼的顯著差別是在臨滲氮前必須進行特殊的去鈍化膜處理。

（一）實驗準備

材料選用3Cr13 滑板，基本尺寸為550×160×50 mm，精加工后單重37kg。化學成分見表1。技術要求：滲氮層硬度HV≥500，滲氮層深0.2-0.4mm。

設備選用井式電滲氮爐，規格及參數見表2。

工藝要求：通用滲氮工藝（滲氮溫度為500-520℃，分解率采用25-40%）;改進后的滲氮工藝（滲氮溫度為550-570℃，分解率采用30-50%）。

（二）對比實驗

1.噴砂后滲氮

滲氮前滑板表面進行噴砂處理，用壓縮空氣吹凈灰塵;然后執行通用滲氮工藝，進行滲氮處理。具體檢查結果見表3。

結果分析：滑板的鈍化膜去除效果不好或去除后又重新生成氧化膜，其表面沒有滲氮層。

2.磷化、酸洗后滲氮

將滑板浸泡在1%（體積）正磷酸中5小時，將滑板表面鈍化膜破壞，形成多孔疏松的磷化膜，然后用水沖洗、擦干。酸洗后迅速入爐執行通用滲氮工藝。滑板出爐后表面硬度為HV400左右，比基體硬度略高，滲氮層深0.1-0.15mm。

酸洗后滲氮效果不理想，滲氮層深過淺。

鐵表面對氮原子的吸收能力決定于溫度、表面狀態和鋼的化學成分;滲氮溫度愈高，溶入于鐵表面晶體點陣的幾率愈大，為增加滲層深度，減少滲氮時間，適當提高了滲氮溫度。滲氮溫度一定時，滲層深度隨時間的變化服從擴散定律，滲氮時間開始時硬度隨時間增加而急劇提高，深度也增長的很快，但延長到一定時間后，時間對硬度實際上沒有影響，滲層進展的也極緩慢，超過100小時，幾乎慢到停止加深的狀態。因此改進后滲氮工藝只提高了氮化溫度，氮化時間沒變。

滑板現場酸洗后迅速入滲氮爐，執行改進后滲氮工藝，滑板出爐后，表面硬度為HV410左右，滲氮層深0.2-0.25mm，檢查滑板表面硬度不均，最高為HV490，最低為滑板調質熱處理后的基體硬度。說明提高滲氮溫度滑板硬度基本不變，滲氮層增加也不明顯，還遠遠達不到預期。

3.加NH4Cl滲氮

采用3Cr13 滑板滲氮時加NHCl去除鈍化膜的方法。由于NHCl在300℃時就全部分解，產生氯化氫氣體，化學性很強。當有微量水蒸汽存在的條件下，它就能與幾乎所有的金屬和金屬氧化物起化合作用，形成金屬氯化物，而金屬氯化物中的氯又易被氨氣分解時產生的活性氮原子所置換形成氮化物。

置換反應的結果破壞了金屬表面的鈍化膜和其它氧化污物，加速了氮原子在鋼表面的吸收過程。

四件滑板，其中兩件（1、2）入爐前酸洗，兩件（3、4）不酸洗，在φ氮化爐中執行改進后滲氮工藝，進行氮化處理。由于NHCl在300℃時就分解，因而直接加入潔凈或活化表面的作用是有限的，而且氯化銨分解在低于300℃的情況下，是個可逆反應過程。為防止其分解過快，將NHCl與石英砂按比例1：200混合均勻，裝在開口鐵皮盒放置在氮化爐爐底。NHCl加入量根據氮化爐體積及工件的表面積確定，暫定加入量為0.15kg/m。

滑板出爐后，表面無麻點，排氣口無白色氯化銨結晶，說明NHCl的加入量在中下限，如加入量多NH4Cl將重新結晶，分布在排氣口處，堵塞管道，使其作用極大地受到限制。檢查結果見表4

結果分析：3Cr13 滑板滲氮時加NHCl去除鈍化膜的方法效果較好，氮化效果與滲氮前工件是否酸洗無關，其操作方法也比較實用;

4. 涂氯化鈦氮化法

TiCl不像NHCl加熱后快速分解，在滲氮過程中能夠持續有效去除鈍化膜。

四件滑板，其中兩件（5、6）入爐前表面涂覆TiCl，兩件（7、8）不涂，在滲氮爐中執行改進后的滲氮工藝;將0.1kgNHCl與石英砂按比例1：200混合物放置在滲氮爐底。滑板滲氮后檢查結果見表5。

結果分析：3Cr13 滑板表面涂覆氯化鈦，氮化時加NH4Cl后去除鈍化膜的方法效果最好，其操作方法也簡單實用;

（三）結論

1、實際生產中，3Cr13 滑板滲氮最佳工藝方法為工件表面涂覆氯化鈦，氮化時加NH4Cl滲氮法，可以省去滲氮前去除鈍化膜工序。

2、3Cr13 滑板滲氮溫度為550-570℃，分解率采用30-50%較為合適。

參考文獻

[1]夏立芳.高彩橋.鋼的氮化.機械工業出版社，1989：10-17

[2]康大滔.葉國斌.大型鍛件材料及熱處理.北京龍門書局，1998：301

作者簡介：（1985，12-），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，本科學歷，職稱：中級工程師，中船重工龍江廣瀚燃氣輪機有限公司