稀土催渗技术在氮化工艺中的应用

稀土催渗技术在氮化工艺中的应用

张国良^[1]    李建华 ^[2]  向文明^[3]   刘志儒^[4]

[1]哈尔滨意锋稀土材料开发有限公司           [2] 四川普什宁江机床有限公司热处理车间成

[3]成都川锚路桥机械有限公司                 [4] 哈尔滨工业大学材料学院

摘要：本文对稀土在化学热处理渗氮中的应用机理进行了简述，重点结合实际应用案例介绍了稀土催渗技术在38CrMoAl，42CrMo常用氮化钢上的应用情况。实际应用表明采用稀土氮化技术有着明显的提高氮化速度，提高工艺质量和节能减排效果。

氮化在化学热处理中占有很重要的地位，同时氮化生产又是能耗物耗较高的加工工序，在常规氮化中要想使氮化层达到0.5mm，一般渗氮时间就需要50小时左右，无论是耗电还是废气的排放都较大，是一个人们多年来努力寻求解决而没有实现的问题。尽管采用离子氮化可以解决部分问题，但由于离子氮化的应用受工件尺寸形状以及生产能力的限制，到目前为止还不能完全取代常规气体氮化。

经过我们近几年的努力将稀土氮化应用到氮化生产中取得良好效果。

一、稀土渗氮的基本原理

1.1稀土渗氮的催渗机理^[1]

实验证实稀土（Re）在渗氮渗碳过程中无论是对于α相Fe还是γ相Fe均可渗入钢基体表面，并做远程扩散。渗入机制是沿钢的晶体缺陷（晶界、亚晶界\相界面\位错线\空位等）进行，并且由于Re原子的原子半径要比Fe的原子半径大40%以上，当Re原子渗入到钢表层Fe点阵，将引起Fe点阵的膨胀畸变，使晶体缺陷密度增殖，并且还能使原来的晶界，亚晶界、相界面、位错线，空位等缺陷处的基体Fe原子混乱的程度与体积增加。从而给C、N原子的扩散提供了更多的快速通道。使其扩散速度与不加稀土相比无论是扩数通量或扩散深度均显著增加。

由于稀土的渗入还可以使得渗层组织细化与超细化，使氮化物分布更加细小弥散，有效的提高表面硬度，实践证明可以提高表面硬度HV50-150单位，并且在一定的温度区间随着温度的提高硬度没有明显下降，所以可以有效的比常规氮化提高20℃左右，有效的提高渗氮速度。

实践证明稀土渗氮比常规渗氮的渗速要高30--50%左右。

1.2稀土渗氮对渗层组织的影响

对于α相渗N或N、C共渗而言，渗层组织的细化与超细化主要取决于第二相N化物或NC化合物析出物的形貌尺寸与弥散度。普通常规工艺渗入时N原子或NC原子在α相内基本上属均匀扩散，晶界略快于晶内，成份基本均匀，第二相在晶体缺陷或某些晶面上随机形核，且沿一定晶向择优长大，不仅晶核稀少，并成片状长大，与α母相成共格或半共格。因此第二相析出物的形貌不佳，弥散度不高，弥散硬化效果十分有限。由于与母相共格或半共格，微区内应力较高，脆性相对较大。

稀土N、C共渗时由于稀土的渗入在一个晶粒内分布不均，晶界晶内相差较大，晶内相差则较小，因而可以认为除晶界外，Re的分布是准均匀的。因此除晶界上稀土稀固溶体的密度较高外，其余部分稀固溶体的分布可以认为是准均匀的。这是因为Re稀固溶体的尺度已属纳米量级，则Cottrel气团及其N、C化合物核心也将是准均匀的和高度弥散的。因此所沉淀析出的第二相N、C化合物也将是高度弥散的。相同N、C共渗工艺加Re与不加相比，不仅渗速提高30-40%，由于第二相高度弥散析出，弥散硬化效果显著增加，与不加Re相比其威氏硬度提高HV50-150单位。对纯Fe560℃×10h Re、N、C共渗处理后，薄膜透射电镜对表层的分析指出：不加稀土者N、C化合物沿晶界亚晶界析出有的形成网状，而加Re后，析出物呈准球状高度弥散析出，形成N网的可能性大大降低。脆性可保证在1级之内。

图1、2为江阴某企业在氮化中采用常规渗氮和稀土渗氮的组织情况对比。

从图中可以看出未采用稀土的试样中的氮化组织存在明显的N网，而稀土氮化则组织明显细化。

图1常规氮化：520℃×45h

图2稀土氮化：550℃×30h

二、应用案例及与常规氮化的对比

2.1江阴某热处理厂生产应用情况

该厂使用哈尔滨意锋稀土材料开发有限公司产YF固体稀土氮化催渗剂。

设备为井式渗氮炉，采用氨气为渗氮剂。

氮化材质42CrMo

常规氮化：520℃×45h渗层0.45—0.5mm（金相法）。

测得的硬度分布曲线如图3。

稀土氮化：550℃×30h，渗层0.5—0.55mm（金相法）。

测得的硬度分布曲线如图4。

图3、42CrMo常规氮化硬度分布曲线

图4、42CrMo稀土氮化硬度分布曲线

该组试样的组织照片可见图1、2。

通过分析可知：采用稀土渗氮工艺要比原工艺缩短时间15h，既提高渗速30%以上；原工艺的渗层存在明显的N网，而稀土氮化组织较细，明显优于原工艺。虽然温度提高了30℃，但表面硬度与原工艺试样相同。采用稀土氮化工艺后降低能耗20%。减少氨气用量25%以上。

2.2四川某压缩机厂采用稀土氮化生产对比情况^[2]

该厂的氮化材料主要为38CrMoAl和42CrMo，为压缩机活塞杆和曲轴。采用稀土氮化技术前后工艺以及质量情况对比如下：

2.2.1试验条件

2.2.1.1 渗氮设备：RN6—280—6井式气体渗氮炉。

2.2.1.2工艺基本条件：氨流量：2.3~2.6m³/h，炉压：120~180mm水柱

2.2.1.4稀土催渗剂10只：哈尔滨意锋稀土材料开发有限公司产。

2.2.2工艺

将渗氮温度提高20℃，即将原渗氮温度520℃提高到540℃。其它试验条件与原工艺相同。

2.2.2.1试验结果

（1） 38CrMoAl天然气压缩机和空气压缩机活塞杆采用两种渗氮工艺的对比：

加入稀土催渗剂渗氮温度为540℃，渗氮时间6h；常规渗氮温度520℃，渗氮时间8h。硬度情况见图1：

由图1可以看到在同样渗层情况下稀土渗氮工艺在较常规渗氮缩短时间2小时，表面硬度提高HV200以上，提高生产效率25%，节能25%。

图5  38CrMoAl活塞杆两种渗氮工艺的对比

(2) 42CrMo 空压机曲轴采用两种渗氮工艺的对比：

稀土温度为540℃，渗氮时间6h；常规渗氮温度为520℃，渗氮时间16h。硬度情况见图6：

 图6   42CrMo 曲轴采用两种渗氮工艺的对比

试验结果表明在42CrMo 空压机曲轴采用稀土渗氮工艺后生产效率提高1.6倍，表面硬度提高HV30，催渗效果明显。

(3 )渗氮组织情况

我们对比两种渗氮工艺的金相组织，情况如下：

38CrMoAl压缩机活塞杆渗氮试块分析  

a）稀土氮化（540℃×6h）   100×

     b）常规氮化（520℃×8h） 100×

图7 38CrMoAl压缩机活塞杆渗氮试块金相组织

在稀土氮化试样中没有脉状组织出现，而常规氮化试块中有轻微的脉状组织出现。

我们观测稀土氮化（540℃×6h）和常规氮化（520℃×8h）的试样的网状氮化物情况，通过400倍组织照片，选择较宽晶界处放大局部，观察网状氮化物形貌如图4：

a)  稀土氮化（540℃×6h）

b)常规氮化（520℃×8h）

图4 38CrMoAl压缩机活塞杆渗氮试块金相组织（局部放大400×）

金相组织显示在同样工艺条件下，常规渗氮产生的网状氮化物要较稀土氮化严重得多，在同样的稀土氮化工艺情况下，较短的渗氮时间产生网状氮化物的几率更小。

42CrMo空压机曲轴渗氮试样分析

a）稀土氮化（540℃×6h）  100×

        b）常规氮化（520℃×16h） 100×

图5：42CrMo空压机曲轴渗氮组织照片

    对金相组织观测：

稀土氮化（540℃×6h）表层组织：ε=1.5～2.5μm,致密，基体无脉状及网状组织，层深：0.28mm（层深计算以硬度法从表面到心部测定到HV500为止）。

常规氮化（520℃×16h）表层组织：无ε相，基体无脉状及网状组织，层深：0.21mm。

a)常规氮化（520℃×16h）400×

a） b）稀土氮化（540℃×6h）  400×  

图6：42CrMo空压机曲轴渗氮组织400倍局部放大照片

对表面组织观测（图6）可以看到稀土氮化工艺处理的试样有明显的ε相白亮层，常规氮化没有ε相白亮层。

2.3四川普什宁江机床有限公司热处理车间使用稀土氮化情况

2.3.1基本情况

零件材质38CrMoAl；

技术质量要求：渗层0.4mm，硬度HV850以上；

生产设备：可控井式渗氮炉，80KW。

2.3.2原工艺情况

原生产工艺见图7

表1 原工艺产品质量情况

2.3.3稀土生产氮化工艺

稀土氮化生产工艺见图8：

图8：稀土氮化生产工艺 

随机抽检生产试样结果见表2

    表2：稀土氮化工艺产品质量抽检情况

针对稀土氮化后后是否会影响工件的变形问题，我们将上述试样对应产品进行检测，结果如表3所示；

表3 稀土氮化对变形量的影响

由表3检测结果可以看出采用稀土氮化没有影响工件变形。

通过生产实践考察：采用稀土氮化技术后缩短氮化时间32小时，提高渗速40%以上；节省氨气用量2—3倍，由原每炉消耗8瓶降至现在的2瓶左右。有着明显的节能减排效果。

三、结果与讨论

通过生产实践的总结，可以看出：

3.1稀土的催渗结果

对于不同的氮化钢在采用稀土催渗技术后都有明显的催渗效果，尤其是利用稀土氮化可以提高表面硬度的现象，将渗氮温度提高20—30℃后催渗效果大幅度提高最高可达50%以上，可以大大节省能耗消耗，降低生产成本。

3.2稀土氮化对质量的影响

由于稀土的微合金化作用，是氮化层组织细化，不易形成氮网，氮化物呈准球状弥散分布，不但提高了氮化层硬度，并且提高了氮化表面韧性，降低脆性。

四、结论

   经过多个企业的实践生产应用证明，稀土氮化有着明显的“节能减排”的效果，并且应用便捷，重现性好，经济效益显著。

[1]  《21世纪稀土化学热处理创新理论  稀土与碳氮间隙原子在钢中共渗的微观机制与微合金化作用研究》  闫牧夫 刘志儒 等    哈尔滨工业大学材料学院。待发表

[2] 《稀土渗氮技术在天然气和空气压缩机零部件渗氮工艺上的应用》蒋天池 向文明  待发表。

作者介绍：张国良（1974 —） 男 哈尔滨人，工程师。多年从事稀土化工技术工作。

自2004年始从事稀土化学热处理及稀土催渗剂开发研究。曾在《热处理技术与装备》杂志上发表论文一篇。

电话：0451—87625699