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。