氮化處理是指一種在一定溫度下一定介質中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。經氮化處理的制品具有優異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫的特性。本期主要說說鋼鐵零件表面氮化那些事兒......

 

氮化工藝是在20世紀初期開發出來的，目前在很多工業應用都在繼續發揮重要作用。它已經發展成為一種非常重要的表面強化工藝方法，氮化通常用于：

 

■ 飛機

■ 軸承

■ 汽車部件

■ 紡織機械

■ 渦輪發電系統

 

雖然它還包裹著一點點“煉金術的神秘”，但它仍然是最簡單的硬化技術。氮化過程的秘密在于它不需要從鐵素體到奧氏體的相變，也不需要從奧氏體到馬氏體的進一步轉化。換句話說，在整個過程中，鋼可以始終保持著鐵素體相（或滲碳體，取決于合金成分）。

 

這意味著鐵素體（體心立方晶格或bcc晶格）的分子結構不需要不改變或轉變成奧氏體的面心立方（fcc）晶格特征。在更為傳統的滲碳方法中卻需要晶格特征的轉變。此外，因為僅發生在自由冷卻，而不是快速冷卻或淬火，所以不發生隨后從奧氏體到馬氏體的相變過程。

 

再次，沒有分子尺寸變化，更重要的是，沒有尺寸變化，由于氮擴散引起的鋼表層體積只有輕微變化。在氮化過程中，產生的變形是由熱量釋放誘導產生的表面應力，引起了扭曲和彎曲形式的運動。

 

氮化是一種將新生氮擴散到鋼和鑄鐵表面的鐵素體熱化學方法。這種擴散過程主要依賴于氮在鐵中的溶解度，如鐵-氮平衡圖所示（圖1）。

圖1  鐵氮平衡相圖

 

氮在鐵中的溶解度極限是具有溫度依賴性的，在450℃（840°F），鐵基合金將吸收高達5.7％至6.1％的N。除此之外，合金鋼表面相的形成主要傾向于是ε相。

 

氮在的溶解度受鋼中含碳量的強烈影響：一般來說，碳含量越大，形成相的可能性越大。當溫度進一步增加到490℃（914°F）的γ'相形成溫度時，溶解度的“窗口”或極限在大約680℃（1256°F）的溫度開始下降。

 

平衡圖顯示控制氮擴散對于氮化工藝成功是至關重要的（如圖1所示）。必須遵守和控制多個操作過程參數以便成功地執行氮化工藝。大多數工藝參數可以用相對簡單的儀器和方法控制。

用于氣體氮化的工藝參數包括：

 

• 爐溫

• 過程控制（見下面的討論）

• 時間

• 氣流

• 氣體活度控制

• 過程室維護

 

除了引起的殘余應力以外，所有這些因素都有助于減少工藝中的變形。氮化的另一個好處是，它可以對鋼提供額外的回火處理作為穩定工藝。

 

工藝參數的控制是非常重要的，目的是獲得良好的表面冶金狀態。沒有有效地工藝控制就不能保證冶金質量的可重復性。

 

工藝控制參數是確保氮化受控并且結果可接受的重要因素：

 

• 氮化總表面積

• 密封處理室內氣相壓力

• 氣體輸送壓力系統進入密封處理室

• 來自密封處理室的廢氣系統

• 氮化前控制預熱處理程序，包括應力消除，預硬化和回火

• 氮化前鋼表面預處理的質量和完整性

• 一致的鋼化學特性，****限度地“氮化”

 

在20世紀初，Adolph Machlet在新澤西州伊麗莎白的美國天然氣公司工作，擔任冶金工程師。他認識到由于在高溫下延長時間，接著嚴重淬火不管是水還是油，滲碳表面硬化技術都可能導致產生變形問題。

 

通過實驗，Machlet很快發現氮極易溶于鐵。氮擴散在鐵或低合金鋼中產生相對硬的表面，并且顯著改善耐腐蝕性。這是在不使鋼經受高溫的情況下完成的，更重要的是，不需要使鋼快速冷卻以獲得硬的耐磨表面。它現在可以在處理室內自由冷卻，同時仍然在氮基氣氛的保護下，從而降低變形的風險，但仍然可以產生耐腐蝕性良好的硬質耐磨表面。

圖2  氮化過程化學反應

 

在氮化的過程中，氨通過熱分解或“裂化”以釋放該過程所需的新生氮。不久以前，Machlet意識到他需要精確地控制氨的分解。他通過使用氫氣作為稀釋氣體來減少可用的新生氮的量，從而在一定程度上控制的表面冶金來實現。工藝氣體控制背后的理論基礎是人們現在被稱為“白層”或“化合物區”的認識。圖3示出了氮化層的簡單結構。應當注意，該示意圖不是按比例繪制的。

圖3  氮化層結構簡單示意圖

涉及氮化工藝的第一個專利出現在1908年3月，在新澤西州伊麗莎白市申請。該專利最終在初始申請后約第五年，于1913年6月被批準。Machlet在他的專利申請之前已經進行了多年的工作，并繼續開發新工藝和強化他對獲得工藝冶金過程的理解。該專利是“在引入過量氫氣的氨氣氣氛中鋼鐵的氮化”。

 

雖然Machlet的新滲氮工藝的開發和專利在技術上很重要，但他的工作仍然很大程度上未被廣泛認識。即使在今天，也很少有滲氮專家知道他是誰，他完成了什么。大多數熟悉氮化過程的冶金學家都知道德國研究員Adolph Fry的工作，他被公認為“氮化之父”。雖然Fry的工作更多地被公開，他的方法在許多優秀的冶金學術研究機構都有講授，然而，Machlet才是氮化工藝的真正先驅。

 

在德國，Adolph Fry在埃森的克虜伯鋼鐵廠正在進行一個平行研究計劃。這個程序由Dr. Adolph Fry在1906年領導。像Machlet一樣，Fry認為氮在高溫下非常易溶于鐵。他在工作早期也認識到合金元素強烈影響氮化的冶金和性能結果。在第一次世界大戰結束三年后，弗雷1921年申請了他的專利。他的專利于1924年3月批準。

 

他使用類似于Machlet的技術，其中氮源必須通過熱裂解以釋放氮用于反應和擴散。像Machlet一樣，Fry使用氨氣作為源氣體，但他沒有使用氫氣作為稀釋氣體。因此開發了如今已知的單級氣體氮化工藝。

 

然后，Fry研究了合金元素對表面硬度的影響。他發現，氮化工藝僅在含有鉻、鉬、鋁、釩和鎢的鋼上產生高的表面硬度，所有這些都形成了所謂的“穩定的氮化物”。

 

他還發現了工藝溫度在表面氮化深度和表面冶金質量方面的關鍵影響。在較高溫度下處理鋼使得表面存在產生“氮化物網絡”的風險中。

因為具有較高合金含量的鋼不容易用于氮化，Fry負責開發被稱為“Nitralloy”組的用于Krupp的一組鋼。這些鋼，特別設計為氮化鋼，很快成為國際公認。

 圖4  齒輪等構件的氮化處理

 

此后不久，在20世紀20年代末，一家位于英國謝菲爾德的公司也開始在克虜伯鋼鐵有限公司的指導下開發一組氮化鋼。這些鋼也以Nitralloy品牌名稱銷售。該公司是Thomas Firth和John Brown Steelworks，更常被稱為Firth布朗鋼。來自Firth Brown的鋼被稱為“LK”組，由英國標準970指定為En 40A，En 40B，En 40C，En 41A和En 41B。為氮化應用開發的這些是鉻-鉬鋼（化學成分見表1）。

 

En 41系列含有鋁，氮化后產生更高的表面硬度。鋁對氮具有強的親和力，形成非常穩定的非常硬的氮化鋁，其量高達1.0％Al。遠超過1.0％以后，鋁對氮化后的表面硬度沒有影響。

 

美國和德國進程之間存在一定的差異。美國與德國的方法之間的主要區別是：

 

• 美國工藝使用氫氣作為稀釋劑氣體來控制氣體和鋼的氮化勢，這又控制了最終的表面冶金質量。

• 德國人通過合金化操作該工藝，并在核心硬度和抗拉強度等方面進行改進。

 

Machlet的工藝在美國沒有被廣泛接受，因為它被認為對美國工業沒有什么商業價值。相比之下，德國人在第一次世界大戰后的早期就利用了Fry的工藝。在整個歐洲，德國工藝在飛機、紡織、鐵路、汽車和機床行業獲得巨大成功。

圖5  常用氮化工藝方法

 

在20世紀20年代中后期，關于Fry的成功的消息開始影響到美國工業家，促使制造工程師協會（SME）對德國的氮化工藝的發展產生了濃厚的興趣。

 

Zay Jeffries博士從俄亥俄州克利夫蘭來到德國，于1926年訪問克虜伯鋼鐵公司和Fry博士。正是在這次會議上，杰弗里斯建議Fry，他參加即將在芝加哥舉辦的年度中小企業會議，并介紹論文中的工藝技術和應用。Fry不能出席，所以他的朋友和同事皮埃爾·奧貝爾代表他做了一個演講。該演講促進了氮化工藝在美國的商業化。

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