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