国内外氮化工艺新进展

国内外氮化工艺新进展作者：张耀军来源：《职业·中旬》2011年第09期渗氮，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。

下面笔者就谈一谈国内外氮化工艺的发展进程。

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30～100HV）。

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。

大连圣洁公司针对目前的中小工件按照传统气体氮化热处理工艺不能获得很好效果的问题，提出了一种中小工件气体氮化的热处理新工艺，采用连续式热处理炉，包括但不局限于网带式连续热处理炉、托辊式连续热处理炉、滚动底式连续热处理炉、推杆炉等，通过调整通入气体流量和氨分解率可控制渗层深度及表面化合物层的深度。

冷却方式有水冷、油冷或空冷（专利申请号：200910012783.4）。

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、集5项专利于一身的脉冲电源辉光离子氮化炉由大连圣洁公司研制的辉光离子氮化炉集5项专利于一身，并根据客户的实际需要而量身定做，为大连开发区盘起工业公司（日本独资企业）制作的一台100kW Φ1000mm×2000mm的离子氮化炉，用于处理Φ2mm×400mm的模具顶杆及其他模具配件。

由于专利技术的炉体结构设计，氮化后的顶杆不仅性能及组织全部合格，且变形程度也达到了日本标准的要求。

离子渗氮作为一种有效的钢铁及合金表面强化技术，在工业领域已得到了广泛的应用。

离子渗氮取代传统的气体渗氮已成为一种必然趋势。

随着离子渗氮技术应用范围的日益拓展，传统的直流电源离子渗氮设备在某些应用领域已不能很好地满足工艺生产的需求，带脉冲电源的辉光离子氮化炉正是在这种需求下应运而生的。

与传统的直流电源相比，脉冲电源具有如下优点：第一，能更可靠迅速灭弧，散弧清理速度快；第二，脉冲电源有抑制空心阴极效应的作用，解决了具有深孔或沟槽的复杂零件的氮化问题，有效提高了氮化工件温度的均匀性及氮化层组织的均匀性；第三，脉冲电源将放电的物理参数（气压、电压、电流）与控温参数（即占空比）分开，增加了工艺的可调性，易于选择最佳工艺参数；第四，脉冲电源更节能；第五，与同功率的直流电源相比，脉冲电源可提高设备的有效功率输出。

四、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520～560℃。

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540℃～560℃，时间90～120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（508mm×457mm×1.5mm）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。

五、盐浴钛氮化大连圣洁公司的工程师深入细致地研究了在盐浴氮化时钛的催渗机理，成功地申报了两项发明专利（专利申请号：99112897.4；专利申请号：200910012783.4）。

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α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（HV＞900）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。

六、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。

七、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Environmental Friendly Process”or“Environmental Acceptable process”（“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10～30μm。