漫谈（二）：关于气体氮碳共渗（软氮化）表面白亮层的控制问题

一张餐巾纸

    先讲一个老故事：上世纪刚改革开放，我国从法国引进某项大型产品，对方提供经过使用后的整机作为样件，供我们测绘和性能对比用，也提供图纸（不完整）。制造技术由我国自行解决，有困难可以买他们的设备和技术。他们用专利套专利办法使我们没完没了的花了不少的钱。其中，某部件由原我厂设计科封闭进行仿制，部件上有一个直径约80mm厚度仅4mm的小模数齿轮，设计部门测绘，材料相当我国1Cr18N9iTi钢， HRc无指示，实测硬度180HB附近，负荷不大又是减速齿轮，没有特别在意。在整机试车不到100小时，这个齿轮因严重磨损而停机，卸下来与原样件对比，设计人员怎么检查都没有看到有什么差别。于是找到我这个搞材料和热处理的，叹曰：‘人家都样件是经过1000小时使用后的东西，看起来完好无损，我们的不到100小时，竞成了这个样子！’我仔细观察样件的表面，发现有极轻微的腐蚀痕迹，说，人家表面是经过盐浴软氮化过的。金相和显微硬度检查，不出所料，表面硬度达1000HV0.05以上。由此亲眼看到，薄如一张纸的硬化层，其表现是何等的厉害！
    1，如果说渗氮的目标是希望表面获得少无白亮层又有足够深度的扩散层，同时要求保持心部调质状态的高强韧性——见漫谈（一）；那么，氮碳共渗（含短时氮化）则希望表面获得一定厚度、性能优良的白亮层，至于氮碳共渗时产生的扩散层有多厚，以及对心部机械性能的要求上，除特殊要求（比如某些模具、高耐磨零件等）以外，一般不作明文规定。这是这两种工艺方法在技术目标层面上最基本的区别。
    2，氮碳共渗工艺覆盖的钢种很宽，几乎所有的钢牌号到铸铁都可以用得上。氮碳共渗之所以应用如此广泛，是因为那一层厚度不大的白亮层，具有高硬度、高耐磨和有一定抗蚀能力，同时在钢表面形成压应力可以提高一些疲劳性能；其二，在价廉的碳素钢和低合金钢上，可以很容易获得较好的白亮层。良好的性价比，使这种工艺技术在轻负荷零件、精密的机械零件以及某些大路货的耐大气腐蚀上得到设计师和厂商们的普遍赞誉和认可。
    然而，必须指出，它不可能替代重负荷零件所需要的渗氮，就像目前的渗氮不能完全替代渗碳一样。
    3，白亮层的控制主要有两个方面，一是厚度，二是相结构。厚度要求取决于零件的服役条件，也受钢牌号和相结构的限制，最常见的要求是5～25μm范围内选择。白亮层的相结构与脆性直接关联，获得性能比较良好的白亮层，应当以单相ε或单相γ，组织为上等，而不是现在大都是那种ε＋γ，双相组织。（参见http://www.rclbbs.com/viewthread ... ge%3D2&page=230楼‘孤鸿踏雪’的帖子）。由于形成γ，化合物的含氮量范围很窄，韧性较好的纯γ，的厚度只能很浅薄（有其特定用途），获得一定厚度的单相ε组织就成了热处理工作者氮碳共渗当前追寻的一个课题（参见http://www.rclbbs.com/viewthread.php?tid=51716&extra=page%3D1 ）。由于技术方法对限制，目前相关标准中检测白亮层脆性等级的尺度较大，难以判别脆性程度上的细微差别，也就是说，同样都是1级水平，由于相结构上的差别在使用性能上将有所区分，然而，并没有引起工程界的特别注意。
    4，在氮碳共渗时，选用的温度偏上限，生成白亮层的倾向大，所以工艺方法的起始温度高于渗氮温度，一般在550～700℃范围内选择。既定温度下，要求炉气的氮势必须大于该温度下的生成ε相的临界值，在一定范围内换气次数多，炉气氮势越高，生成白亮层的速度越快；因此，工艺实施过程中总是希望把氨分解率控制在该温度下能够达到的下限值。 换而言之，添加‘氨分解气’在通常的氮碳共渗工艺上是用不上的，相反，有时候还需要添加含氮碳的有机液，如甲酰胺、甲醇＋尿素溶液等， 给白亮层添加碳的同时又提高一些气氛的氮势。
    5，在没有合金元素或合金元素少的钢种表面，氮碳共渗时，获得10～25μm的白亮层并不困难，而随着钢中合金元素的增多，在同样的工艺条件下，白亮层的厚度减小，高合金钢（含铸铁）上要生成10μm以上的白亮层则很不容易。
    6，奥氏体氮碳共渗可以获得表面由化合物、次表面由含氮奥氏体淬火层的两层结构的白亮层组织。相关资料显示，含氮奥氏体淬火层氮耐磨性和抗蚀性能更为优越，这一特性开始引起工程界的关注。在铁－氮平衡图上，铁素体氮碳共渗与奥氏体氮碳共渗的‘临界点’是590℃。而随着钢中的合金元素含量不同，这个‘临界点’是变化的，实际上每一个钢牌号都有自己的‘临界点’。由于相关数据的缺乏，运用这一技术时要注意这个问题。
    7，白亮层相结构上还受氮碳共渗后冷却速度的影响，在共渗温度下生成的ε相，缓慢冷却时将发生γ，相析出，快冷则可阻止γ，相的析出。在奥氏体氮碳共渗后冷却，情况还要复杂些，快冷还将使次表面的含氮奥氏体层淬火，慢冷则发生奥氏体层分解。所以，氮碳共渗后采用随炉冷却的工艺方法是不可取的，那种要求零件获得像渗氮随炉冷却后一样的灰白色表面，不仅提高了成本，也降低了白亮层的质量。至于出炉后应当空冷或油冷、水冷，不仅要看零件尺寸大小，还要看钢的牌号（尚查不到系统的相关数据），宜通过金相分析和显微硬度检测来确定，经过服役的考验作为最后的评判。
    8，快冷后的白亮层（含奥氏体淬火层），重新加热时效或回火，或者进行冰冷处理，也将使白亮层的组织发生变化，如何合理利用这后续热处理导致性能的变化，同样是我们热处理工作者用实践方法转化科研成果的一项任务。
    9, 关于氮碳共渗技术方面的报道和文献已经相当丰富，但在白亮层的相结构的认识和控制上，还没有引起足够的重视，也存在着一些盲点，值得深入去挖掘。只要没有更好的能够替代氮碳共渗的新技术出现，对这一工艺技术领域的研究和应用问题就得继续进行下去。上述工艺控制，以及由氮碳共渗派生出来的所谓氧氮化、多元共渗等工艺，既可以在一般通用气体渗氮炉上完成，也可以在我的‘空间’（http://home.rclbbs.com/space.php?uid=1481&do=blog&view=me）所述的渗氮炉上按照你设想的工艺方法去实施（包含低碳钢两相区的薄层碳氮共渗工艺），是探索相关新工艺的良好助手，也可以立即转入一定批量生产。
    欢迎有兴趣的老师、工程师和师傅们指正错误，一起讨论，共同推进低温化学热处理技术向高层次发展 。
    未完待续——

杨青海

我曾经做过Q235碳氮,在表面有大概0.003的白亮层,920保温,860保温1h淬火.表面硬度可以达到1000Hv0.3

LIUYANG

回复 2# 杨青海


    请教怎么控制流量？

杨青海

你没有氧探头?手工看你的设备(炉堂空间来调)富化气跟载气是3:1,氨气在2.5ML\min

孤鸿踏雪

楼上二位的讨论偏离了主题哦。