氨氣比例、進(jìn)氣方式及載氣氮氣對薄帶材滲氮試驗的影響

陳 軍 肖海明 袁 誠 杜濤 付北京

氨氣比例、進(jìn)氣方式及載氣氮氣對薄帶材滲氮試驗的影響

陳 軍 肖海明 袁 誠 杜濤 付北京

研究氨氣比例，進(jìn)氣方式以及載氣氮氣對薄帶材滲氮試驗的影響，對不同氨氣進(jìn)氣方式下試樣氮含量分析，結(jié)果表明NH3進(jìn)氣方式對極薄帶材滲氮影響較大，NH3由上向下噴射比兩側(cè)噴射滲氮處理后試樣氮含量分布更均勻，滲氮效果更好，隨著氨氣比例增加，薄帶材中氮含量增加，兩者之間存在正的函數(shù)關(guān)系，載氣氮氣作為催滲劑可促進(jìn)滲氮反應(yīng)，最佳的流量為10L/min。

目前，正值鋼鐵行業(yè)“冰凍期”，各大鋼廠都緊緊圍繞“提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本”進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，尤其是后者，已成為工業(yè)研究和發(fā)展的主要動力，而薄帶材傳統(tǒng)的制造工藝中板坯加熱溫度高達(dá)1350℃，過高的加熱溫度導(dǎo)致高能耗、高污染、成材率低、板坯表面起皮、磁性不穩(wěn)定等缺陷，如果將加熱溫度降低到1200℃以下，不僅有效避免上述缺點，而且還提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，但是板坯加熱溫度降低，在以后工序中必須輔助滲氮技術(shù)，以形成穩(wěn)定和足夠氮化物抑制劑，來“調(diào)整”和“控制”結(jié)晶組織，達(dá)到最優(yōu)性能，因此滲氮技術(shù)對薄帶材研究與開發(fā)至關(guān)重要，本文從薄帶材滲氮工藝入手，重點研究NH3進(jìn)氣方式、氨氣比例及載氣N2量對薄帶材滲氮效果的影響。

試驗材料與方法

試驗材料

采用大生產(chǎn)的0.27mm厚的冷軋薄帶材，試樣成分見表1。

表1　試驗用薄帶材鋼的化學(xué)成分（wt％）

試驗方法

將薄帶材用沖床剪切成30×300尺寸，然后用工業(yè)酒精進(jìn)行去油處理，最后進(jìn)行脫碳+滲氮熱處理，脫碳工藝要求將試樣含碳量脫至30ppm以下，同時完成初次在結(jié)晶。

滲氮處理在某廠連續(xù)退火爐中進(jìn)行，滲氮氣氛由氫氣、氮氣、氨氣按一定比例組成，氫氣占比22％～28％，氨氣比例由1.5％、5％、10％、15％、20％（體積分?jǐn)?shù)）逐步增加，滲氮溫度、時間按大生產(chǎn)工藝780℃×1min，試樣分三組，A組試樣采取N2、H2、NH3混合進(jìn)氣方式由兩側(cè)向試樣噴射NH3，B組試樣采取另接NH3管路單獨進(jìn)氣方式，由均勻分布的氣孔由上向下直接對試樣表面噴射NH3，C組在B組方式NH3管路上增加一路N2（稱為載氣N2），其中C組載氣N2流量由5、10、15、18、20（L/min）逐步增加，每個工藝做10片試樣，滲氮完后通過化學(xué)分析測定試樣氮含量。

試驗結(jié)果與分析

滲氮處理后試樣氮含量分布

每個試驗工藝后的試樣，在檢測［N］量時我們分別取對角線上的“頭”“中”“尾”三點，具體位置如圖1，通過結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，A組試樣頭尾基本無差異，但相比中部氮含量高出15ppm左右，氮含量分布嚴(yán)重不均，B、C組試樣頭中尾氮含量基本無差別，分析原因：A組NH3進(jìn)氣方式由兩邊向中部噴射NH3，試樣兩側(cè)邊部NH3相對中部濃度高，滲氮反應(yīng)短時間相對中部劇烈，試樣氮含量大于中部，如果保溫時間延長，可通過氮原子擴(kuò)散縮小氮含量差距，B、C組試樣NH3由上方直接向下噴射，NH3濃度在試樣寬帶方向上一樣的，試驗滲氮反應(yīng)寬帶方向上一致，故B、C組試樣頭中尾滲氮量無差異，氮含量分布較均勻，綜合得：短時間內(nèi)滲氮NH3由上向下直接噴射試樣表面比NH3由兩邊向中部噴射滲氮后試樣氮含量分布更均勻。

NH3進(jìn)氣方式、NH3比例對氮含量的影響

圖2為試驗鋼在三種不同NH3進(jìn)氣方式下，隨NH3比例逐步增加滲氮處理后所獲得的滲氮量曲線，由圖1可以看出NH3比例在1％-5％范圍內(nèi)時，三種NH3進(jìn)氣方式短時間滲氮內(nèi)試樣滲氮效果不明顯，NH3比例大于10％，滲氮效果明顯，大于15％，隨著NH3比例增加滲氮效果顯著增加。

圖1　試樣定氮取樣點分布示意圖

圖2　三種方式下NH3比例與極薄帶滲氮量的關(guān)系曲線

圖3　NH3=15％時，載氣N2流量與極薄帶滲氮量的關(guān)系曲線

薄帶材滲氮原理是NH3分解為氮原子滲入鋼件表面，通過吸收擴(kuò)散方式與帶材Als結(jié)合形成穩(wěn)定和足夠氮化物抑制劑，而滲氮反應(yīng)有三個基本過程：活性氮原子的產(chǎn)生-活性氮原子的吸收-活性氮原子的擴(kuò)散，因此活性氮原子直接決定的滲氮處理的效果，而表示氣氛提供活性氮原子的能力最直觀和最有效的方法就是氮勢，氮式r=PNH3/ P1.5H2可以準(zhǔn)確作為NH3氣氛下滲氮能力的度量，該試驗方案下氮勢值大小只取決于氣氛的組成（NH3所占比例），NH3比例提高，氮勢增加，滲氮效果好，而在實際氮化過程中，氮勢存在一個“門檻值”，“門檻值”是指短時間內(nèi)實際氮化過程滲氮反應(yīng)開始劇烈的臨界氮勢值，由圖1得：5％NH3的爐內(nèi)氮勢可以考慮作為該試驗滲氮反應(yīng)的“門檻值”，NH3比例在1％-5％范圍內(nèi)時，氮勢小于“門檻值”，滲氮反應(yīng)不劇烈，三種NH3進(jìn)氣方式短時間（1Min）內(nèi)試樣滲氮效果不明顯，NH3比例大于5％時，A組試樣采取N2、H2、NH3混合進(jìn)氣方式由兩側(cè)向試樣噴射NH3，出氣孔與試樣有一定距離，造成NH3噴射在試樣表面濃度降低，參與滲氮反應(yīng)的有效活性氮原子量少，實際氮勢不高，小于“門檻值”，NH3比例對氮含量影響不大，滲氮效果一直不明顯，B、C組NH3直接零距離噴射在試樣表面，隨著NH3比例增加，提高的試樣表面供氮介質(zhì)覆蓋層中的活性氮原子量，增加氮勢，滲氮反應(yīng)效果好，試樣滲氮量相比A組明顯增加，C組由于增加一路載氣N2，作為催化劑，對滲氮反應(yīng)具有較強(qiáng)的催滲作用，使活性氮原子滲入試樣表面顯著加快，因此短時間內(nèi)滲氮C組滲氮量平均高于B組試驗滲氮量。

載氣N2對氮含量影響

圖3為在C組NH3進(jìn)氣方式下，NH3比例為15％時，不同載氣N2流量滲氮處理后所獲得滲氮量的曲線。觀察圖2可以看出，載氣N2流量增大，滲氮量增加，直到載氣N2為10L/Min達(dá)到最大值，后隨著載氣N2增加，滲氮量下降，甚至低于B組未加載氣N2滲氮量。

為的縮短滲氮時間，目前廣泛采用催滲滲氮方法，包括加氮滲氮、加鈦滲氮等，本試驗采用加氮滲氮，載氣N2直接通入NH3管路，與NH3混合，作為催化劑，對滲氮具有較強(qiáng)催滲作用，可縮短滲氮時間，在NH3比例一定，載氣N2量在較低范圍值時，增加載氣N2，使NH3分解可逆反應(yīng)向左移動，降低NH3分解率，提高氮勢，提高滲氮量，載氣N2在較高范圍內(nèi)時，N2稀釋NH3，相當(dāng)于降低NH3比例，稀釋作用大于N2催滲作用，隨著載氣N2增加，氮勢反而降低，當(dāng)載氣N2=10L/Min時候，載氣催滲作用最大，滲氮促進(jìn)效果明顯，滲氮量最大。

試驗結(jié)論

通過以上試驗達(dá)出以下結(jié)論：1）NH3進(jìn)氣方式對極薄帶材滲氮影響較大，滲氮時NH3由上向下噴射比兩側(cè)噴射滲氮處理后試樣氮含量分布更均勻，同時滲氮效果更好。2）提高NH3比例，可提高爐內(nèi)氮勢，滲氮試驗中NH3比例與氮含量成正的函數(shù)關(guān)系。 3）載氣N2作為催滲劑，最佳值為10L/Min，促進(jìn)滲氮效果最明顯。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.001