材料領(lǐng)域的未來(lái)之星

王殿華

世界上什么物質(zhì)最硬?你一定會(huì)說(shuō)：“當(dāng)然是金剛石”。這樣的回答在以前也許是對(duì)的，不過(guò)，現(xiàn)在情況已經(jīng)發(fā)生了變化，上海交通大學(xué)的計(jì)算物理學(xué)家通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：一種在自然界和實(shí)驗(yàn)室中只以少量微小顆粒形式存在的物質(zhì)，其硬度是金剛石的1.5倍，這種物質(zhì)名為纖鋅礦氮化硼，是氮化物的一種。

或許你對(duì)氧化物、氯化物、硫化物等很熟悉，但你了解氮化物嗎?沒(méi)準(zhǔn)兒它們才是材料領(lǐng)域的未來(lái)希望之星。

特殊的氯化物

氮化物是氮與其他元素形成的二元化合物，包括金屬氮化物、非金屬氮化物和氨(習(xí)慣上將氨作為一種特殊物質(zhì)，不列入氮化物中)。金屬氮化物指金屬元素與氮形成的化合物。其中多數(shù)不溶于水，熱穩(wěn)定性高，可用作高溫絕緣材料，像氮化鈦、氮化鉭、氮化釩等。少數(shù)遇水完全水解生成金屬元素氫氧化物并放出氨，如氮化鎂、氮化鋁等。

很多金屬型氮化物和非金屬氮化物都具有高硬度、高熔點(diǎn)、高化學(xué)穩(wěn)定性及耐磨、耐腐蝕等特點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有廣泛的用途。其中一些氮化物的硬度已接近甚至超過(guò)了金剛石，如立方氮化硼和纖鋅礦氮化硼。而金剛石因?yàn)槠涮冀Y(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下具有不穩(wěn)定性，很容易與氧產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，與鐵也很容易化合，所以無(wú)法廣泛應(yīng)用于諸多工業(yè)領(lǐng)域，于是人們把目光投向了默默無(wú)聞的氮化物。

同氧化物不同，多數(shù)氮化物并不存在于自然界，而是人工合成的產(chǎn)物。例如氮化鋁(A1N)就是一種類似金剛石的氮化物，于1877年被首次合成出來(lái)，可耐2200℃高溫，且強(qiáng)度隨溫度的升高下降較慢，導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小，是良好的耐熱沖擊材料。氮化鋁抗熔融金屬侵蝕的能力非常強(qiáng)，是熔鑄純鐵、鋁或鋁合金理想的坩堝材料。氮化鋁還是電的絕緣體，介電性能良好，用作電器元件也很有希望。它具有較高的傳熱能力，被大量應(yīng)用于微電子元件。此外，氮化鋁還被應(yīng)用于光電工程，包括在光學(xué)儲(chǔ)存介面及電子基質(zhì)作誘電層，在高的導(dǎo)熱性下作晶片載體，以及用作軍事用途等。

再比如氮化錳，作為氮和錳的合金添加劑，主要用于生產(chǎn)特殊合金鋼、高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、耐熱鋼等產(chǎn)品，尤其在輸送石油和天然氣的大口徑鋼管以及造船和汽車用高強(qiáng)度鋼等方面，展現(xiàn)了良好的市場(chǎng)前景。氮能提高鋼的強(qiáng)度和塑性，擴(kuò)大奧氏體區(qū)(奧氏體是在大于727℃高溫下才能穩(wěn)定存在的結(jié)構(gòu)組織，有著特殊的物理性質(zhì))，細(xì)化晶粒，改善加工性能。氮化金屬錳能代替部分鎳從而降低成本，其特點(diǎn)是主元素含量高，磷等危害性雜質(zhì)含量低，加入熔體后氮的利用率高。

目前，很多金屬氮化物已形成系列產(chǎn)品，包括氮化金屬錳、釩氮合金(氮碳化釩，v(cN))、鈦及鉻的氮碳化物(Ti(cN)、cr(cN))、氮化鈦等、氮化鎵，氮化銦等。其中氮化銦具有的納米結(jié)構(gòu)，是研制相關(guān)量子器件的基礎(chǔ)材料。

還有一些重要的非金屬氮化物，如氮化硼(BN)、五氮化三磷(P3N5)、四氮化三硅(si3N4)等，他們的熱穩(wěn)定性也比較高，各具特性。氮化硅，尤其是熱壓氮化硅，是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一。它極耐高溫，強(qiáng)度一直可以維持到1200℃的高溫而不下降，受熱后不會(huì)熔成融體，一直到1900℃才會(huì)分解，并有驚人的耐化學(xué)腐蝕性能，能耐幾乎所有的無(wú)機(jī)酸和30％以下的燒堿溶液，也能耐很多有機(jī)酸的腐蝕；同時(shí)又是一種高性能電絕緣材料。前面提到的立方氮化硼是優(yōu)良潤(rùn)滑劑：六方氮化硼因其硬度大，可用來(lái)制作車刀、鉆頭等。氮化硅、氮化硼、氮化硅等還可用于生產(chǎn)高性能陶瓷。

雖然纖鋅礦氮化硼這種材料在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下還很難做出大塊的結(jié)構(gòu)，但人們可將顆粒狀的耐高溫氮化物超硬材料涂在導(dǎo)彈、坦克、鉆地炸彈甚至防彈衣上，將來(lái)老百姓甚至可以用上不用磨的菜刀。

讓材料更耐磨

發(fā)動(dòng)機(jī)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要?jiǎng)恿C(jī)械之一，在船舶、汽車、飛機(jī)、工程建筑機(jī)械等各方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

隨著工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求也越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件有時(shí)非常惡劣，這常會(huì)引起機(jī)件的損傷和失效，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行。

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的抗疲勞強(qiáng)度，人們想了各種辦法，氮化技術(shù)就是其中很有效的方法之一。

氮化技術(shù)又被稱為擴(kuò)散滲氮，是向鋼的表面層滲入氮原子的過(guò)程，分為氣體氮化技術(shù)、液體氮化技術(shù)、離子氮化技術(shù)等。

表面氮化是工業(yè)中一種廣泛應(yīng)用的材料表面處理技術(shù)，在氮化過(guò)程中材料或部件的表面可以形成一層硬質(zhì)氮化物以提高表面的耐磨性、耐蝕性等。對(duì)鋼鐵表面進(jìn)行氮化處理時(shí)往往需要在高溫下(高于500℃)進(jìn)行，處理時(shí)間較長(zhǎng)(長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí))，不僅耗能，更重要的是許多材料和工件在如此高溫下長(zhǎng)時(shí)間退火后會(huì)喪失其基體性能或出現(xiàn)變形，因此表面氮化技術(shù)的應(yīng)用受到很大限制。

為此，大幅度降低氮化溫度是長(zhǎng)期以來(lái)表面氮化技術(shù)應(yīng)用中所必須解決的重要技術(shù)“瓶頸”。中科院金屬研究所的專家利用金屬材料表面納米化技術(shù)在表面氮化應(yīng)用上獲重要進(jìn)展，此技術(shù)不但可以大幅度提高塊體材料的表面性能(如表面強(qiáng)硬度、耐磨性、抗疲勞性能等)，而且表面層的納米組織可以顯著提高其化學(xué)反應(yīng)活性，使表面化學(xué)處理溫度下降，從而使表面氮化技術(shù)的適用面(材料和工件種類)大大拓寬。

不同的氮化技術(shù)

氣體滲氮在1923年左右由德國(guó)人首度研究發(fā)展并加以工業(yè)化。由于經(jīng)氣體滲氮處理的制品具有優(yōu)異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。例如鉆頭、擠壓模、壓鑄模、鍛壓機(jī)用鍛造模、螺桿、連桿、曲軸、吸氣及排氣活門及齒輪凸輪等均使用該技術(shù)。抗疲勞強(qiáng)度最高的材料之一即為通過(guò)氮化處理的高強(qiáng)度閥彈簧用鋼。

一些金屬氮化物可由金屬加熱后直接與氮化合而成，還有些是由金屬、金屬氧化物或金屬氯化物在氨氣流中加熱制得。

耐磨及耐疲勞的汽車零件，以及縫衣機(jī)、照相機(jī)等的氣缸套處理，氣門閥處理?；钊蔡幚砑安灰鬃冃蔚哪＞咛?，可以采用液體軟氮化技術(shù)處理。常用的對(duì)象材料為鐵金屬，氮化后的表面硬度以含有鋁、鉻、鉬、鈦元素者硬度較高。該項(xiàng)技術(shù)經(jīng)常為西歐各國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、日本和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)所采用。

離子氮化技術(shù)是將一工件放置于氮化爐內(nèi)，預(yù)先將爐內(nèi)抽成真空后導(dǎo)入氮?dú)饣驓涞旌蠚怏w，調(diào)整爐內(nèi)壓力，將爐體接上陽(yáng)極，工件接上陰極，兩極間通以數(shù)百伏的直流電壓，此時(shí)爐內(nèi)的氨氣發(fā)生光輝放電成正離子，向工作表面移動(dòng)，在瞬間令陰極電壓急劇下降，使正離子以高速?zèng)_向陰極表面，并將工件表面的鐵、碳、氧等元素打出來(lái)與氮離子結(jié)合成氮化鐵(FeN)，氮化鐵逐漸被吸附在工件上最終實(shí)現(xiàn)氮化作用。離子氮化作為20世紀(jì)70年代興起的一種新型滲氮方法，與氣體滲氮相比具有滲氮速度快、滲氮層組織易于控制、脆性小、無(wú)環(huán)境污染、節(jié)約電能、工件變形小等優(yōu)點(diǎn)。離子滲氮這種強(qiáng)化金屬表面的化學(xué)熱處理方法，廣泛適用于生產(chǎn)鑄鐵、碳鋼、合金鋼、不銹鋼及鈦合金等。

合金鋼中的鋁、鉻、釩及鉬元素對(duì)滲氮很有幫助。這些元素在滲氮過(guò)程中，與初生態(tài)的氮原予接觸時(shí)，會(huì)生成穩(wěn)定的氮化物。尤其是鋁元素，不僅作為生成氮化物的元素，而且可以降低在滲氮時(shí)所發(fā)生的脆性。一般而言，如果鋼材中含有一種或多種的氮化物生成元素，氮化后的效果比較良好。其中鋁是最強(qiáng)的氮化物元素，合金中含有0.85％～1.5％鋁的滲氮結(jié)果最佳。

由于氮化技術(shù)對(duì)提高材料表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗蝕、抗咬合和黏結(jié)能力有很大作用，汽車工業(yè)中已有不少零件采用氮化方法處理。