氮碳共渗表面改性技术

译者的话本文原刊于英国“Heat treatment of Metals”杂志，题目为“氮碳共渗及其对汽车零部件设计的影响” (Nitrocarburising and its Influence on Design in the Automative Sector)但文章所叙述的内容实际上是德国迪高沙(Degussa)盐浴氮碳共渗加氧化的处理基本相同，作者对该技术使用的商业名称为“Nitrotec”，但实际上和我们所开发的“氮碳（氧）共渗表面改性技术”异曲同工，在产品的应用上效果完全相当，因此本文介绍该技术在汽车上的应用及其对汽车设计的影响，对国内推广和应用“氮碳（氧）共渗表面改性技术”很有参考价值，为此特将此文翻译出来，供有关人员参考。

本文只供同行参考，翻译谬误之处在所难免，敬请鉴谅。

氮碳共渗及其对汽车设计的影响C.DAWES Nitrotec服务有限公司(部分选择内部参考)[ 摘要 ]作者回顾了氮碳共渗的发展，这是一种黑色金属材料的化学热处理方法，由于有富氮的化合层形成，因而具有耐磨性和抗腐蚀性，而氮扩散层则提高材料的屈服强度和疲劳强度，特别对细薄件效果显著。

该工艺赋予零件以极高的抗蚀性和漂亮的外观，使氮碳共渗向镀铬提出了挑战。

80年代在汽车工业得到广泛和成功的应用，产品从轮轴轴承到保险杠，使用该工艺可以获得独特的综合性能并能降低成本和减轻重量，由于采用先进的设备和工艺材料可以极大地减少对环境的污染。

一、前言在表面热处理家族中，氮碳共渗独树一帜，这不仅由于它能提供独特的性能结合，而且有着许多的名称和专利，在过去40年里一直引人注目。

该工艺起源于法国的盐浴铁素体处理并于1947年传人英国，当时的贸易名称为“Sulfinuz”，随后经多年探索发现亚硫酸纳能活化氰化物生成氰酸盐，从而导致引入强制通气法并命名为“Tufftride”和“活性氮化”。

这些仅局限于氰化物，采用空气搅拌，将氰化物氧化成氰酸盐，以产生所需要的氮势，而不象“sulfinuz”法那样有表面沉积形成，还需增加一道后处理的清洁工序，另一种易使人混淆的原因是一种被人称之为“液体氮化”的盐浴处理的存在，这种方法是用以氰化物为基盐的盐所产生低含量的氰酸根，用来处理工具钢在表面形成硬的合金氮化物，这种类型的盐浴因其氮势太低，故对非合金钢不起作用。

在50年代后期引入密封淬火炉，由于具有生产效率高的优点，从而导致气体氮碳共渗的开始。

模拟氨气氛，对氮化合金钢进行处理，对碳素钢则无效，但若增加载气包括CO，CO2的含量，则可形成类似于盐浴处理的化合物层，该化合物层含有8％的氮和1％的碳，定义为ε—铁氮化合物，对气体氮碳共渗的早期研究于1961年第一次专利申请而告一段落。

一般的密封淬火炉在570℃工作时形成的化合物层存在不均匀的现象，并且存在易爆炸性，因而其商业应用并没有得到积极响应，然而后10年，衍生了许多商业化的贸易名称，诸如Nitemper，Oxycad，Trinding等等。

到60年代，为消除含氰废物的公害，从而增加成本，同时由于气体氮碳共渗技术的竞争，进而开发了新的盐浴处理技术，如Sursulf，和Tufftride TF1，但二者均没有可以除掉氰化物的后序工序。

到1970年，各种想象的商业名称变得近乎荒谬，在德国曾将认为是低温碳氮处理。

这种状况使得国际材料热处理联合会术语委员会为其作如下定义：铁素体氮碳共渗是一种“热化学处理，它以N和C在黑色金属材料表面进行富集，其中氮占主要成份，表面化合物层以下是扩散区”。

这一定义不排除r′铁氮化合物层的形成，这种氮碳共渗的概念不是以形成单相的ε层为目的的。

图1表明：在铁素体氮碳共渗开成的ε层中，氮是主要元素，在奥氏体碳氮共渗形成的马氏体层中，碳是主要元素。

二、碳和氧的作用碳和氧对ε层的形成和质量分别起作相应的作用。

在盐浴处理中，从氰根图1 氮碳共渗和碳氮共渗的比较到氰酸根碳总是存在的，在用气体处理时，碳仍然存在并与氧结合，渗层中的碳不会影响其技术特性，然而存在于钢表面的渗碳反应确实影响着氮化动力学，因此对ε层的孔隙度有影响。

在对负压处理的研究中发现了氧存在的重要性，在化合物层形成以前通过晶粒边界渗透并将气氛的氧含量从0％增加到2％，可显著地改善渗层的均匀性和增加渗层深度。

大量的实践和数据证明，对不含碳的体系能得到成功的处理结果，但无氧的体系却不能得到满意的渗层。

三、ε层形态的控制用传统的工艺方法不控制氧含量，生成的铁氮化合物层当其厚度超过5-7μm 时，就有孔隙形成，在盐浴处理中，孔隙的形成是盐中溶解铁的介质腐蚀侵蚀的结果，它明显不同于气体氮碳共渗，其孔隙是由氮原于在渗层适当的位置如晶界处结合成氮分子而形成的，因此用盐浴处理比用气体处理形成的疏松少。

为获得最佳的表面结构和化学成份以满足大量的应用要求，还有许多工作有待开发和研究。

图2表示的是三种不同类型的表层形态。

尽管一些应用要求无孔隙的厚的ε层，如图a ；而另一些应用场合则要求得到最佳抗腐蚀性，这样便需要有海绵状孔 隙的表面层，如图b ；对于在润滑条件下 要求耐磨，表层需要有储油特性，这时有 柱状孔隙的表面层是有利的，如图C 。

四、 寻找突破口直到大约10年前，氮碳共渗的应用才有所增加，其主要用来改善零件表面的耐磨性和抗疲劳性能，最著名的例子是曲轴，图5。

主要的商业应用源于用氮碳共渗这一道工序代替至少两个传统工序，从而使其在经济成本上更具竞争力。

开发的关键要素如下：1) 利用氮化后的氧化处理，提高零件 的抗腐蚀性和美化外观。

2) 利用能强化薄板零件的潜力。

3) 将工艺应用于微合金化钢。

4) 提高亚表面硬度以承受点集中负荷应力。

这些氮碳共渗的新观点由于能减轻重量，保护环境，改善安全性，因而对于图2 氮碳共渗所具有的勾层类型( a)无孔隙 (b)海绵状孔隙 (c)柱状孔隙图5 经Tuehdde 处理的Japlx 曲轴汽车行业长期广泛的发展目标起着重要的促进作用。

表1是氮碳共渗与其它工艺的性能比较，由此可看出该工艺具有降低成本的优点，可以代替渗碳淬火与防腐蚀处理二道工序。

表1：各种表面处理性能和成本的比较1、提高抗腐蚀性和美化外观1973年的石油危机导致汽车生产要求减轻车身重量并提高性能；环境保护要求取消有污染的工艺，如镀锌、镀铬，由于氮碳共渗能提高零件的抗腐蚀性和美化工件外观，因而应用得到推广。

研制的氧化工艺和有机密封剂，当用于铁氮化合物层这一特殊的成份和结构上时，显著提高了抗盐腐蚀性并美化工件外观。

Degussa公司率先在盐浴处理后使用后氧化处理，在研制低氰根盐浴过程中，该公司的工人们用氧化盐浴冷却工件并中和氰化物，同时伴随形成了黑色美观的表面，明显地改善了抗盐腐蚀性，这一过程称之为“Tufftride Q”。

然而，由于氧化盐的工作温度为350℃，这一工艺不能充分发挥氮在饱和固溶体中的间隙强化作用，尤其是低碳钢。

为获得最佳抗腐蚀性，应考虑利用表面多孔性并注入防腐蚀的密封剂。

这一过程称之为NITROTEC，其起源于处理的三阶段：氮碳共渗／氧化／保护。

即NITRocarburising／Oxidising／proTECtion。

2、利用薄板零件的强化潜力一般来说，氮碳共渗适用于所有的黑色金属包括铸铁，虽然对不锈钢的处理不太尽如人意，但当对抗磁性和耐磨性要求超过抗蚀性时，仍要采用该工艺。

然而，直到80年代，氮碳共渗应用于薄壁零件才得到认可。

碳钢在氮碳共渗后迅速冷却，在表面ε层下面大多数扩散进入铁点阵中的氮仍保留在饱和固溶体中，因而提高了基体材料屈服强度和疲劳强度。

氮扩散层的性质不取决于共渗介质的类型而是受到扩散层深度和氮碳共渗后冷却速率的控制。

在薄壁区屈服强度的提高最显著，但这种处理对低碳钢不利，当加热温度超过150℃后其强度要降低，因此在使用时必须考虑这二因素。

见图7说明。

3、应用微合金化钢近年来由于IF钢(Interstitial-Free steel)和低合金高强度(HSLA)的出现，因其优良的成型性和深拉特性，引起了人们的极大关注，对这些钢种，用氮碳共渗处理可以获得优良的性能结合，微合金化钢含有少量的强氮化物形成元图7：低碳钢经氮碳共渗淬火后强度分布图素，如Nb 、Ti 、V 等，在氮碳共渗及冷却后，除了铁晶格中氮原子的间隙固溶强化外，还有析出硬化的效应，这种硬化比一般的低碳钢具有更高的抗回火软化能力。

对IF 钢而言，氮化物析出硬化的效果比间隙强化明显，这样与其它钢相比具有更深的表面硬化现象。

如图8所示。

除非加热温度超过500℃，否则不会发 生回火软化现象，很好地满足了加工要求。

利用薄板钢的另一个优点是氮碳共渗后冷却速率的临界值更少，对IF 钢，有时 炉冷便能获得完全淬硬，对减少变形有利。

五、 设计要求与氮碳共渗相结合表2是作者根据自己的经验列出的一些应用实例，因此只代表一小部分应用范围，由于商业竞争的原因，对汽车工业来说不情愿泄漏产品信息，从表2可看出，所有的应用都采用了3个或3个以上氮碳共渗性能的特点i 而尺寸控制是所有设计均需要的，这不足为奇，因为该处理是使用前的最后一道工序，不允许尺离表面的距离 mm图8：570℃，90分钟氮碳共渗后，钢种成份对硬度分布的影响寸改变和校正变形。

表2是设计性能要求对应用的选择1)扭转盘第一个例子是扭转盘，(图10a)，厚度约为0．4~0．6mm，用于粘性滑动的差动装置中，(图10b)，这些盘装在一壳体内并分别安装在传动轴和壳体上，壳体内充满粘性流动液体，当传动轴相对壳体旋转时，在相邻两盘之间由于速度不同而在粘性液体中产生剪力，并随着速差的增加而增加，于是轴与壳体之间的扭矩加大。

该原理的专利人为Ferguson，由于VisodriveGmbH商业化，用于控制电力机车及四轮载人轿车。

扭转盘原生产工艺为化学镀镍，而现在用氮碳共渗+氧化的处理技术可以大量节约成本，原来加工一个盘，现可以处理40个盘。

2)座位滑动器第二个例子是座位滑动器，图11是由Rockwell国际公司出品的用于RenaultR25 车的座位滑动器。

车辆座位滑轨一般由低碳钢制造并喷漆，在随后的装配过程中要涂抹大量的油脂，无论是司机或乘客，一旦图10 扭转盘（a）粘性控制单元（b）图11 Renault 25 座位滑动器触摸其状苦不堪言，由于淬硬钢球在滑轨上来回移动因而会在导轨上产生凹痕，尽管对手动调节来说影响不是太大，但就目前上市的车辆，其座位均是电动调节，轨迹上任何凹痕的存在，座位调节的平稳性就要受到明显影响，此外，滑动器现已成为安全装置的关键所在，因此对强度有要求。

通常的表面淬硬技术，如碳氮共渗或渗碳，变形太大，而且还需要最后的表面涂层以防腐蚀。

在处理过程中控制给定的Nitrotec 处理的工艺参数，得到特殊的基体硬度分 布，以保证抗压痕产生，并能提高屈服强度，而且表面化合物层还具有耐磨、耐蚀的特点，并能获得黑色悦目的外观。