关注│国内外氮化工艺新进展

关注国内外氮化工艺新进展 氮化，就是将工件放在一定的渗氮剂中加热和保温，使渗氮剂中的活性原子氮渗入工件表层， 以改变工件表面的化学成分、组织和性能的热处理方法。国内外氮化工艺的发展进程主要分 为以下几个阶段： 一、稀土催渗的快速气体渗氮 在气体渗氮过程中加入一种稀土催渗剂，能够活化工件表面，加快氮原子吸收速度，不但缩 短渗氮周期，还能够在工件表面形成细小弥散的氮化物，改善渗氮后组织和质量。其中，脆 性级别、氮化物级别和疏松级别都可控制到 1 级，并提高表面硬度（比常规工艺提高 30100HV）。 对于一般结构钢渗层深度要求 0.3mm 时，采用常规渗氮工艺保温时间需要 30 小时以上，但如 果加入稀土催渗剂后，保温时间仅用 14 小时，缩短时间 53%，节电 40%，省氮气 35%以上， 同时少排放废气 35%，整个渗氮周期缩短 32.7%。 二、连续式气体软氮化及发黑处理 传统的气体氮化热处理是在周期式井式炉或者箱式炉中进行的。对大型工件，这种设备及工 艺能够满足生产需求，但对于中小工件，在这种炉中进行气体氮化就容易出现加热不均、渗 层不均、硬度不均等问题。此外，由于周期式氮化效果不好，每一炉都有误差，因此，大大 增加了操作难度，并且不易保证所有批次工件的质量均匀一致。 该发明突破了传统思维的缺点，创造性地将中小工件在连续炉中进行气体氮化，解决了传统 周期式炉中气体渗氮的诸多缺点，不但大大提高了产品渗氮后的质量和热处理过程的一致性， 且由于温度和时间均可连续调整，使操作简单易行并可成倍提高生产效率。 三、盐浴氮化及 QPQ 复合处理 最早的盐浴氮化称为低温氰化，温度一般为 520560。常用的液体氰化盐浴通常用中性盐 氯化钠、氯化钡、氯化钾、碳酸钠等，常用的氰化物盐有氰化钠和氰化钾等，并仅适用于高 速钢工具。另外，还有称作液体硫氮共渗的盐浴氮化，配方为氯化钡 30%、氯化钠 20%、氯化 钙 50%，另加 5%10%（中性盐总重量），成粉末状的硫化亚铁，其盐浴含硫量不低于 0.2%，再通入一定量的氨气（NH3），促使盐浴翻动。工艺参数是：温度 540560，时 间 90120 分钟。 1、盐浴氮碳共渗方法 国外提出了盐浴氮碳共渗的方法，包括软氮化、Tenifer 法；Tufftriding、新 Tenifer 法、 Melonizing、Sulfinuz 法、Sur-Sulf 法等。国外的盐浴碳氮共渗在含氰化物和氰酸盐的熔盐 中进行，熔盐中氰酸盐的热分解以及其他化学反应产生有扩散能力的氮，置于熔盐中的铁质 工件表面和在气体渗氮时一样，起催化剂的作用。 2、QPQ 盐浴复合处理技术 中国的 QPQ 盐浴复合处理技术，是“九五”期间国家级重点推广项目。QPQ 一词来源于英文 Quench-Polish-Quench 一词的字头缩写，原意为淬火（快冷） 抛光 淬火（快冷），后有 些专家学者把不加抛光工序的盐浴复合处理和增加了抛光工序的 QPQ 技术结合起来，统称为 QPQ 盐浴复合处理技术。 QPQ 盐浴复合处理技术有以下特点： （1）良好的耐磨性、耐疲劳性能。大量生产应用及试验证明，该技术可以提高工模具寿命 2 倍以上。严格的滚动和滑动磨损试验说明，45 钢、40Cr 钢经 QPQ 盐浴复合处理后，其耐磨性 比高频淬火高 15 倍以上，比 20 钢渗碳淬火高 10 倍以上，比镀硬铬和离子渗氮高 2 倍以上。 调质的 45 钢经 QPQ 盐浴复合处理以后疲劳强度提高 40%。 （2）极好的抗蚀性。45 钢经 QPQ 盐浴复合处理以后，在大气和盐雾试验中的抗蚀性比发黑 高 70 倍以上，比镀硬铬高 16 倍以上，甚至比 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢还高几倍。 （3）极小的变形。QPQ 盐浴复合处理以后工件的尺寸和形状几乎无变化。在最佳工艺状态下， 工件尺寸的胀缩量仅仅为 0.005mm。工件形状的变化也极小，如可以成功地使 （508mm457mm1.5mm）2Cr13 不锈钢薄板处理后平面度保证在 0.5mm 以下。因此，该技术 可以用来解决常规热处理方法无法解决的硬化变形难题。 （4）大幅度节能。与常规热处理技术相比，该技术处理温度低、保温时间短，可以大幅度节 能。与渗碳淬火相比，可以节能 50%以上。 （5）无公害。该技术在大量生产条件下，经各地环保部门在生产现场实地检测，各项环保指 标均低于国家环保排放标准允许值。迪高沙公司曾因这项技术获德国环保奖。 QPQ 盐浴复合处理技术的“复合”一词说明它不是一种单一的技术。“复合”的概念首先体 现在它是渗氮（氮碳共渗）和氧化工序的复合；在性能上，它是高耐磨性与高抗蚀性的复合； 在工艺上，它是热处理技术与防腐技术的复合。 四、盐浴钛氮化 早在 20 世纪 70 年代，为了改变气体渗氮时间长、硬度不均等缺点，广大的工程技术人员和 车间工人投入了大量的精力和时间，研究了在氮化时加入电解钛而使渗速加快、渗层加深的 工艺，当时叫做镀钛氮化，并在一些产品上进行了试用，还对钛氮化和普通气体氮化、盐浴 氮化进行了对比试验。 实际生产表明，钛氮化能大大加快渗速，并使工件的硬度大大提高，从而大大提高了钻头、 刀具、工具、模具的使用寿命。特别对于高速钢制造的钻头和刀具等，既克服了其他氮化造 成刀口脆性而降低使用寿命的缺点，又使寿命大大提高。试验结果还指出，对于 PVD 镀膜的 钻头，钛氮化后也能提高寿命 14.5 倍。 为了进一步查明钛氮化的实质，还将预先抛光的 38CrMoAl 钢金相试样进行普通氮化和钛氮化， 随后再进行抛光（约抛出 0.02mm）制取二次碳复型，在国产 DX-301 电子显微镜下观察获得 的氮化层电子显微组织。 比较上述结果可以看出，与普通氮化一样，钛氮化除在 铁基底上分布弥散小粒外，还存在 白色条块状亮相，钛扩钛氮化后的这种亮相的数量比钛氮化大大增加，估计这种亮相与钛 有关。 当年的实践证明，钛氮化有以下特点： 第一，钛氮化能在较短的时间内获得较厚和较硬的氮化层。8 小时钛氮化的深度较 60 小时普 通氮化的要深，表面硬度没有差别；12 小时钛氮化有效硬化层（HV900）较 60 小时普通氮 化层厚，表面硬度也高得多。尤其是 40Cr 钢，8 小时的钛氮化，其硬度、深度和有效硬化层 都超过 60 小时的普通氮化。 第二，钛氮化工艺可用于任何钢铁零件，不仅限于氮化钢。除了 38CrMoAl、42CrMo、40Cr、20Cr、20 号钢外，各种型号的不锈钢、高速钢、合金工具钢、弹 簧钢及 10 号钢、Y12 钢和球墨铸铁均可进行钛氮化，并能获得较满意的结果。 第三，钛氮化件有良好的耐冲击性能和疲劳强度，耐热性、耐腐蚀性能也好。经氮化处理的 3Cr2W8 钢的热锻模、冲头等，其使用寿命比用其他方法热处理的要长。第四，钛氮化处理所 需时间短，并可在较低的温度下处理，工件变形小，可节约加工费用，适于大量生产。近十 年来，大连圣洁公司的工作人员继续努力进一步试验总结了钛氮化的工艺，并在钻头、工具、 模具等产品上进行了批量试验，取得了较好的结果，并申报了两项发明专利。 五、英国 BODYCOTE 和预抽真空气体软氮化处理 鲍迪克（宁波）热处理有限公司是总部在英国的鲍迪克国际 PLC 的子公司。该公司是从事热 处理加工和检测的世界第一品牌。鲍迪克集团无锡工厂的卧式预抽真空气体软氮化炉，在世 界上也属于领先的设备，该设备克服了传统井式气体氮化炉的各种缺点，不但可以降低成本， 而且炉子的均匀性、稳定性、可控性和可调性都特别好，因此，加工出的产品能够很好地达 到汽车、航空工业高精技术标准要求，且一炉多用，氮化后还可以进行发黑处理。 六、法国 HEF 及舍舍夫（SURSULF）盐浴表面渗氮处理技术 1、舍舍夫的优越性 舍舍夫（SURSULF）过程是 HEF 公司开发的一种先进表面处理技术，与其他渗氮工艺相比，它 具有如下优越性： （1）无公害。整个过程几乎无污染，舍舍夫（SURSULF）炉中的氰根浓度低于 0.8%，多数情 况下，就像在 Perkins，氰根浓度在 0.4%0.5%，目前在世界上是最低的。其他相应过程， 氰根浓度在 2%5%。因此，舍舍夫（SURSULF）过程在世界上被认为 EnvironmentalFriendlyProcess”or“EnvironmentalAcceptableprocess”（“与环境友好 的过程”或“环境可接受的过程”）。 （2）高性能。与其他表面方法相比，工件有更高的耐疲劳强度、耐磨性、表面硬度和耐腐蚀 性，以及更低的表面摩擦系数。与其他渗氮表面处理相比，其具有更好的工件表面外观质量。 原因之一是采用了连续自动滤渣、除渣系统，使得盐浴炉始终保持高度的纯净。工件表面化 合层厚度和结构可根据 K2S 的量进行调节，满足不同场合的要求，如解决磨损、点蚀和疲劳 的问题，或解决咬合、粘着和拉伤问题。所以，具有极好的性能价格比。 （3）高效率。由于在盐浴炉中加入了锂（Li）等元素，使渗氮的潜力大幅度提高，在达到相 同化合物厚度和扩散层厚度的条件下，其处理时间要大大减少，一般处理时间在 30 分钟至 120 分钟，化合层厚度可达 1030m。 （4）高精度。与气体渗氮相比，工件变形极小，可以满足高精度要求的零部件要求。 （5）适应性强。可处理各种黑色金属（钢、铁、铸铁、烧结铁等）及形状复杂的构件。 （6）使用方便。操作和维护都十分方便，炉子的清洁平均只要每周一次。 2、舍舍夫工艺技术与其他热处理工艺技术的比较 与气体碳氮工艺 NITEMPER 或其他同类气体渗氮处理，如 INDURE、TOUG-HNITE、BELL 等，进 行对比。气体氮碳工艺通常是在加 30%的氨气的吸热气氛中进行，温度在 570，这些气体渗 氮的处理时间需要 4 至