对离子氮化的探讨

龙源期刊网对离子氮化的探讨作者：李廷茂来源：《现代企业文化·理论版》2008年第16期摘要：辉光离子氮化是新兴的材料表面氮化工艺，文章对获得各种渗层的工艺进行了探讨。关键词：化合物层；工艺参数；渗氮气氛离子渗氮最重要的特点之一是可以通过控制渗氮气氛的组成、气压、电参数、温度等因素来控制表面化合物层（俗称白亮层）的结构和扩散层组织，从而满足零件的服役条件和对性能的要求。离子渗氮化合物层常遇到的氮化物相有两种：γ，：Fe4N相和ε：Fe2-3N相，离子氮碳共渗（称软氮化）还可能出现Fe3C相。γ，单相具有最小的脆性，但耐磨性较差，ε单相脆性也较小，并有较好的耐磨性和抗磨合性能。合金结构钢离子渗氮时一般均得到双相（γ，+ε或ε+γ，）组织，脆性较单相大些，耐磨性较好；离子氮碳共渗得到ε+Fe3C（少量）组织，脆性并不增加，而有最好的耐磨性。一、影响化合物层中ε和γ，相含量的因素影响离子渗氮化合物层结构的因素很多，有渗氮气氛的影响；钢材成分和组织方面的影响，还有渗氮温度、时间、气压等工艺方面的影响因素。（一）渗氮气氛的影响离子渗氮气氛中氮和碳的含量是影响化合物层相结构的重要因素。1.气氛含氮量对化合物层相结构的影响。随着气氛含氮量增加，化合物层中ε相含量增多，白亮层也随之增厚。如40Cr钢用氨气渗氮时，ε相含量相当多，改用分解氨后则大大减少。2.气氛中添加含碳气体将抑制γ，相形成，而得到以ε相为主或ε单相结构的化合物层。如气氛中加入丙烷（C3H8）后，化合物层中ε含量迅速增多，基本由ε单相组成。含碳量再增龙源期刊网，含碳量继续增多，则Fe3C增多，ε减少直到完全消失。离子渗氮需要严格控制气氛中含碳量，使之能得到ε单相或ε+少量Fe3C的双相组织。这样的组织其硬度和耐磨性均比单纯离子氮化有较大提高。如45钢在含80%N2的氮氢气氛中570℃渗氮3h，表面硬度只有575-603HV0.5，加入丙烷气后，当含碳量达到临界值（不出现Fe3C的最大含碳量）时，ε相化合物层的硬度达730-781HV0.5。（二）钢材成分和组织的影响随着钢中含碳量及合金元素增加，氮化层中ε相也随之增多。基体组织硬度较高者，渗氮层表面硬度也较高，而且化合物层较厚，其中ε相也较多。一般来说，调质组织渗氮化合物层中的ε相含量比正火组织少。（三）渗氮保温时间的影响40Cr钢化合物层厚度在渗氮初期增长较快，保温2～4h后变化不大。而38CrMoAl钢化合物层厚度则随时间延长而增厚，保温24h后，这种趋势仍然保持着。一般合金结构钢在用分解氨渗氮时，随保温时间延长，ε相减少，γ，，相增多，长时间保温后，化合物层基本由γ，，相组成。（四）渗氮温度的影响40Cr钢渗氮时，从500℃升到达560℃，化合物层中ε和γ，均增加，当升到580～600℃时，ε相突然减少，γ，相数量猛增，当温度升到620℃，γ，相数量急剧减少，升到650℃以上则化合物层分解。（五）气压的影响离子渗氮化合物层的厚度在某一最佳气压下出现最大值，氮化物ε相的含量和气压也有类似的关系。如40Cr钢在530℃渗氮，气压为400Pa时，化合物层中ε相含量最多，而在570℃渗氮，这一气压值为530Pa。二、获得各种化合物层组织的工艺方法（一）γ，单相化合物层的获得龙源期刊网γ，相在室温时它的含氮量为5.7%～6.1%，相区狭窄，所以γ，单相化合物层比较薄，通常认为可达8um。碳在γ，相中的溶解度不大，室温时最大溶碳能力为0.2%。由此可见，获得γ，相的条件是渗氮表面贫碳和氮含量偏低。所以降低气氛氮势，强化脱碳过程将有利于γ，相的获得。用以下方法之一，可以获得γ，单相化合物层：1.降低气氛的含碳量。用含氮25%的氮氢混合气或者热分解氨不容易得到γ，单相化合物层，不论是38CrMoAl还是40Cr钢，甚至碳钢都程度不同地含有ε相，若进一步降低气氛含氮量到10%时，上述几种钢材都能得到γ，单相化合物层。2.降低炉气压力。低气压、高电压，强化溅射和脱碳作用，有利于化合物层中γ，的形成。40Cr钢和38CrMoAl钢在含氮25%的氮氢气氛中530℃渗氮，当气压为160Pa时能得到薄薄的γ，单相化合物层，可以在保温前1～3h内用低气压，而在以后的保温过程中用一般气压渗氮。这样γ，单相层可由1～2um增加到4～5um。提高渗氮温度还能使它进一步增厚。3.预脱碳法。用热分解氨离子渗氮时，只有工业纯铁容易得到γ，单相化合物层。因此可以设想，如果使材料表面先形成一层脱碳层，随后再渗氮，就可以得到γ，单相化合物层。如40Cr和38CrMoAl试样先用氢气起辉升温，达到530℃后保温1h，然后改用25%N2-H2或热分解氨继续渗氮，都得到了γ，单相化合物层。4.延长离子渗氮时间。碳钢、40Cr等材料用分解氨离子渗氮时，随着渗氮时间延长，化合物层中ε相逐渐减少。（二）ε单相和ε加少量Fe3C化合物层的获得离子氮碳共渗气氛中碳量达到临界值时，就能得到ε单相化合物层。如果超过临界含碳量，则得到ε+Fe3C化合物层。ε相单相区非常狭窄，这就意味着获得ε单相的工艺性较差，气氛配比必须控制得很严格才能做到。否则经常得到的是ε+Fe3C双相化合物层。而形成ε+Fe3C化合物层的气相配比范围却比较宽，生产上容易控制。Fe3C的存在能提高渗氮层的耐磨性，而且少量Fe3C和ε双相化合物层的脆性并不比ε单相差。因此，离子氮碳共渗获得ε+少量Fe3C化合物层是有利而无害的。气氛含氮量低，含碳量高，化合物层较薄，反之则厚。如果不需要过厚的化合物层，可以把共渗时间缩短至1～2h。当然，临界含碳量也要作相应调整。离子氮碳共渗的温度以570～590℃，时间以2～4h为宜，气压一般用270～530Pa。氮气加丙烷共渗也同样能得到ε相或ε+Fe3C化合物层。渗层表面呈银灰色，虽然不用氢气，但丙烷中含有的氢足以防止表面氧化。这种工艺不需要氢气，便于在生产中应用。（三）用酒精和丙酮进行离子软氮化龙源期刊网目前国内在生产上常用酒精和丙酮进行离子软氮化，也能得到增加化合物层中ε相含量的效果。一般得到ε-Fe2-3（CN）+γ，-Fe4N双相化合物层，但是ε相的含量较普通离子渗氮多，因而表面硬度和耐磨性都有进一步提高。操作时先通氨气升温，到温后在按一定比例送入含碳气氛。酒精和丙酮蒸气是采用负压抽入的办法通入炉内。在氨/乙醇和氨/丙酮的流量比为9/1～7/3范围内，表面硬度以8/2的比例为最高；化合物层的厚度在流量比9/1～8/2范围内变化不大，再增加含碳气氛，化合物层显著减薄；不同流量比对扩散层深度的影响不大。比较氨/乙醇和氨/丙酮这两类气氛，后者能获得更高的表面硬度，较厚的化合物层和较深的扩散层。其混合比以氨/丙酮=9/1-8/2为好。三、无化合物层渗氮表面的获得渗氮时抑制化合物层，形成的纯扩散层组织具有很高的强韧性，称之为高韧性渗氮层。产生纯扩散层有两种办法：（一）两段处理法第一段正常离子渗氮，得到γ，或γ，+ε化合物层的扩散层，第二段采用氢、氩等气体辉光放电，靠离子轰击，使已形成的化合物层分解。（二）控制含氮量在整个过程中保持等离子区的低氮势，以避免在表面产生γ，氮化物的晶核。但此时氮势应恰好仅低于临界值，以使扩散层能被氮所饱和，并且在硬度和深度上不致比通常的扩散层加化合物层降低太多。