氮?dú)鈮簭?qiáng)對(duì)鐵基激光氮化層組織與物相的影響研究

樊宇等

摘 要：激光氣體氮化（LGN）技術(shù)已發(fā)展日趨成熟，與傳統(tǒng)氮化工藝相比擁有諸多優(yōu)點(diǎn)。目前，大量研究均集中在對(duì)鈦合金表面的激光氮化處理。為實(shí)現(xiàn)在鐵基表面激光氮化處理，本文以工業(yè)純鐵（99.60%）為研究對(duì)象，采用4000 W型光纖激光器，外加自行設(shè)計(jì)的氣體分壓控制系統(tǒng)（國家專利201410065557.3），通過提高氮?dú)鈮簭?qiáng)，在較低功率密度和較高掃描速度條件實(shí)現(xiàn)鐵基表面激光氮化處理。并利用XRD分析氮化層物相組成，利用SEM對(duì)激光氮化層組織進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明當(dāng)N2壓強(qiáng)大于或等于1.1 MPa時(shí)，可以在較低的功率密度下（1.78×104 W·cm-2）制得以ε-Fe3N和γ-Fe4N為主的鐵氮化合物，并且隨著N2壓強(qiáng)的增大，生成的鐵氮化合物的含量相對(duì)增多，激光氮化層厚度大約13 μm且分布較為均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋與氣孔等缺陷。

關(guān)鍵詞：激光氮化 氮?dú)鈮簭?qiáng) 鐵氮化合物 XRD

中圖分類號(hào)：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（b）-0035-03

1 引言

金屬表面滲氮是一項(xiàng)古老的表面處理技術(shù)。以氮化過程中母材的狀態(tài)進(jìn)行分類的話，可以將氮化過程分為：氮化處理時(shí)母材為固態(tài)的滲氮過程與氮化處理時(shí)母材為液態(tài)的滲氮過程。傳統(tǒng)的滲氮過程，無論是氣體滲氮、鹽浴滲氮還是離子滲氮，在氮化過程中母材都是以固體狀態(tài)存在，而對(duì)母材處于液態(tài)狀態(tài)進(jìn)行滲氮的研究則很少。傳統(tǒng)滲氮技術(shù)溫度通常控制在580 ℃左右，之所以這樣是由于氮在體心立方點(diǎn)陣的鐵素體中的擴(kuò)散系數(shù)，要比氮在面心立方點(diǎn)陣的奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)大很多，所以在這個(gè)溫度范圍內(nèi)金屬表面具有更好的吸附氮的能力。但是由于氮在α-Fe中的溶解度很低，滲氮過程中，表面的氮濃度會(huì)很快超過其在α-Fe中的溶解度而析出，并形成鐵氮化合物，發(fā)生反應(yīng)擴(kuò)散，所以對(duì)材料進(jìn)行氮化時(shí)母材通常處于鐵素體態(tài)。傳統(tǒng)氮化處理往往需要在較高的溫度下（500 ℃以上）進(jìn)行，處理時(shí)間長達(dá)數(shù)十小時(shí)，不僅能耗大且對(duì)于尺寸精度要求較高的金屬材料在如此高溫下長時(shí)間退火后會(huì)喪失其基材性能或出現(xiàn)形變。大幅度提高氮化層冶金結(jié)合性和氮化效率，改善氮化層的不均勻性及易實(shí)現(xiàn)氮化處理局部化成為長期以來表面氮化技術(shù)應(yīng)用中所必須解決的重要技術(shù)瓶頸。由于受到“平臺(tái)化困境”的制約，傳統(tǒng)氮化工藝的改進(jìn)很難完成。隨著高能激光表面技術(shù)的突破，又有學(xué)者提出激光淬火加表面氮化的復(fù)合處理。盡管這種新的表面復(fù)合處理工藝有一定的應(yīng)用前景，但是該處理方法對(duì)材料進(jìn)行重復(fù)加熱，一方面導(dǎo)致了能源的浪費(fèi)，延長了工藝流程，增加了生產(chǎn)成本，另一方面存在難以定位滲氮，且工件易氧化，脫碳和變形等問題。

激光氣體氮化技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一項(xiàng)表面改性技術(shù)。相比較傳統(tǒng)氮化技術(shù)與激光淬火加表面氮化的復(fù)合處理，激光氮化具有生產(chǎn)周期短、成本低、氮化層厚、冶金結(jié)合性穩(wěn)定不易脫落，易于實(shí)現(xiàn)局部化處理，壞境溫度要求低和對(duì)基材的熱損害小等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著研究的不斷深入，激光氣體氮化設(shè)備實(shí)現(xiàn)了工藝簡單，造價(jià)較低，設(shè)備簡化等特點(diǎn)，因而具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[2]。

早在1986年Ktayama等最先提出激光氣體氮化的方法，迄今為止已得到了廣泛的研究。目前，大量的研究報(bào)告均集中在對(duì)鈦合金表面的激光氮化處理[3-7]，國內(nèi)外少量研究者[8-11]圍繞黑色金屬開展激光氮化的研究。根據(jù)資料顯示，我國關(guān)于激光氮化應(yīng)用于黑色金屬的研究始于20世紀(jì)90年代初左右，最初的的名稱叫做“材料表面金屬/非金屬元素激光合金化”。鄭克全和張思玉在其研究中報(bào)導(dǎo)了大量在碳鋼、鑄鐵及合金鋼表面進(jìn)行金屬或非金屬元素激光氮化的情況，但是他們的研究停留在1995年左右。之后，Yilbas與楊玉玲等諸多研究者又對(duì)鐵基激光氮化進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，前人研究的內(nèi)容主要圍繞激光功率密度與掃描速度對(duì)鐵氮化合物的生成進(jìn)行，如，楊玉玲[12]提出只有在功率密度大于或等于7.8×105W·cm-2和掃描速度低于8.33 mm.sec-1時(shí)才能生成鐵氮化合物，而采用的氮?dú)鈮簭?qiáng)0.6 MPa；Yilbas[13]在其工具鋼激光氮化研究中給出的激光氮化參數(shù)則為：功率密度2.2×104 W·cm-2，掃描速度80 mm.sec-1和氮?dú)鈮簭?qiáng)0.6 MPa；Yilbas在低合金鋼激光氮化研究中給出的激光氮化參數(shù)為：峰值功率密度4.35×104 W·cm-2和掃描速度100 mm.sec-1和氮?dú)鈮簭?qiáng)0.6 MPa?？梢钥闯觯诘?dú)鈮簭?qiáng)不變的情況下，只有提高激光功率密度或降低掃描速度才能實(shí)現(xiàn)鋼鐵基材料表面激光氮化處理，這樣必然制約了設(shè)備自身的功率或大幅降低了氮化效率。那么能否通過改變氮?dú)鈮簭?qiáng)，在低功率密度和高掃描速度的條件下實(shí)現(xiàn)鋼鐵基表面激光氮化效果呢？該文從這一角度出發(fā)進(jìn)行研究，采用自行設(shè)計(jì)的氣體分壓控制系統(tǒng)，通過提高氮?dú)鈮簭?qiáng)，在低功率密度和高掃描速度條件實(shí)現(xiàn)鐵基表面激光氮化處理，為激光氣體氮化工藝優(yōu)化和工業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)方法

激光氮化試驗(yàn)所采用的材料為工業(yè)純鐵（99.60%），切割成20 mm×20 mm×2 mm的試樣。激光氮化前將原材料表面打磨去除氧化膜，并用乙醇溶液清洗干凈。激光氮化采用IPG-Photonics4000W型光纖激光器（如圖1所示），加裝自行設(shè)計(jì)的通氮?dú)鈽悠肥?，激光束透過密封的玻璃樣品室與內(nèi)部樣品發(fā)生反應(yīng)。為增加氮的溶解度，在樣品室進(jìn)氣與出氣端增加了自行設(shè)計(jì)的氣體分壓控制系統(tǒng)（圖2所示），可有效調(diào)節(jié)氮?dú)夥謮翰⒈３址€(wěn)定（已申報(bào)國家專利201410065557.3）。激光氮化工藝參數(shù)包括：功率3500 W，光斑直徑5 mm，掃描速度60 mm.sec-1，N2預(yù)熱溫度200 ℃，氮?dú)饬髁?0 mL·min-1。采用Simens D8 Advance XRD分析氮化層物相組成，掃描速度為0.1sec/step，采樣間隔為0.019450（step）。采用Philips XL30型掃描電鏡（SEM）對(duì)激光氮化層組織進(jìn)行分析。

在其他條件不變的情況下，采用不同的N2壓強(qiáng)對(duì)幾組試樣進(jìn)行激光氮化處理。表1為激光氮化工藝參數(shù)。

3 結(jié)果與討論

圖3（a-f）為不同的N2壓強(qiáng)下激光氮化試樣的XRD結(jié)果。由圖可知，只有在N2壓強(qiáng)大于或等于1.1 MPa時(shí)才能生成鐵氮化合物，該化合物主要包括ε-Fe3N和γ-Fe4N。由圖3（c-f）可以看出，隨著N2壓強(qiáng)的增大，氮化物峰強(qiáng)度有增強(qiáng)的趨勢。這說明N2壓強(qiáng)的大小影響鐵氮化合物的生成和物相的相對(duì)含量。

研究表明，激光氣體氮化區(qū)別于其他氮化方法的最大優(yōu)點(diǎn)是氮化速度極快，而其本質(zhì)是氣體及金屬材料表面的相互作用。影響這種相互作用的除了有激光功率密度與掃描速度之外，N2壓強(qiáng)的大小直接影響氮在金屬中的溶解。

激光氮化時(shí)，由于氮在鐵中的溶解是典型的吸熱溶解，形成的液態(tài)金屬鐵對(duì)于氮?dú)獾娜芙舛纫h(yuǎn)遠(yuǎn)大于在固態(tài)鐵的溶解度。而氮?dú)庾鳛殡p原子分子，一方面以分子形式吸附溶入至液態(tài)金屬熔池中，另一方面氮分子在金屬熔池表面的高溫汽化區(qū)分解成氮原子，再以原子形式吸附溶解至金屬熔池中（氮的分解溫度在4400 K左右，因而不可能在液態(tài)鐵熔池中分解）。在液態(tài)高溫條件下，大量的氮原子與氮分子就是這樣溶解在金屬熔池中的。而激光氮化的冷卻速度極大（一般高達(dá)107～108 ℃.sec-1）[9]，所以實(shí)際上材料表面冷卻時(shí)，大量的過飽和氮溶入在金屬表面，而部分析出氮原子則與Fe及其他合金元素生成穩(wěn)定的化合物。在保持激光功率密度和掃描速度不變的前提下，通過增大氣體分壓可以增大氮在金屬熔池中的溶解度（具體原理如公式1所示），從而影響鐵氮化合物的生成。

S=kx√Px （1）

其中S為溶解度，Px為氣體分壓，Kx為常數(shù)，取決于溫度和金屬種類。

圖4為激光氮化SEM截面形貌。氮化層厚度大約為13 μm且分布較為均勻，氮化層的最表層是由富氮區(qū)域形成的白亮層，厚度在1-2 μm左右，白亮層以下為滲氮層，即在激光快速熔凝及氮在金屬熔池中的擴(kuò)散溶解的共同作用下形成的以ε-Fe3N和γ-Fe4N為主的鐵氮化合物層。激光氮化層中未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋與氣孔等缺陷。

4 結(jié)論

（1）在工業(yè)純鐵（99.60%%）表面，利用4000 W高功率光纖激光器外加自行設(shè)計(jì)的氣體分壓控制系統(tǒng)，可以在較低的功率密度下（1.78×104W·cm-2）制得以ε-Fe3N和γ-Fe4N為主的鐵氮化合物。

（2）激光氮化時(shí)，在功率密度和掃描速度保持不變的情況下，N2壓強(qiáng)大于或等于1.1 MPa時(shí)才能生成鐵氮化合物，并且隨著N2壓強(qiáng)的增大，生成的鐵氮化合物的含量相對(duì)增多。

（3）SEM形貌顯示，激光氮化層厚度大約13 μm且分布較為均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋與氣孔等缺陷。

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