XD超級(jí)氮化催滲劑的運(yùn)用

鄭宏達(dá)

(德陽(yáng)市興達(dá)熱處理技術(shù)服務(wù)部，四川 德陽(yáng) 618000)

鋼制零件經(jīng)淬火及高溫回火，并完成精加工后，放入500～600 ℃的密封容器內(nèi)；容器中連續(xù)通入氨氣，并連續(xù)保持?jǐn)?shù)十小時(shí)，甚至超過(guò)100 h之后，鋼制零件表面將獲得0.30～0.50 mm厚度的氮化層。氮化層具有很高的表面硬度、低摩擦系數(shù)、很高的殘余壓應(yīng)力、高耐磨性、抗咬合性，零件的疲勞強(qiáng)度大幅度提高。同時(shí)，這種氮化層的高硬度可以在高溫下繼續(xù)保持，即在高溫條件下仍具有良好的耐磨性。因此氮化技術(shù)廣泛運(yùn)用于機(jī)械制造中。

但是，現(xiàn)有的氮化工藝時(shí)間太長(zhǎng)，一個(gè)氮化周期需要持續(xù)幾天，甚至超過(guò)一周的時(shí)間。非常昂貴，也將消耗大量能源和人力。為了縮短氮化工藝時(shí)間，降低氮化工藝的成本，本文介紹了一種氨氣快速氮化技術(shù)，即在現(xiàn)有的氮化工藝系統(tǒng)中添加X(jué)D超級(jí)氮化催滲劑，就能夠大幅度縮短氮化工藝時(shí)間，節(jié)約大量能源和氨氣，顯著降低氮化工藝成本。同時(shí)，添加X(jué)D超級(jí)氮化催滲劑能使氮化工藝過(guò)程在100 h以?xún)?nèi)，使氮化層深度達(dá)到0.8～1.00 mm或更多。

1 XD超級(jí)氮化催滲劑氮化技術(shù)

1.1 氮化工藝

鋼制零件的氮化就是讓氮原子滲入零件表面的過(guò)程。實(shí)現(xiàn)氮化過(guò)程的必要條件是：整個(gè)過(guò)程必須在密閉的容器內(nèi)；保持500～600 ℃的高溫；持續(xù)通入能產(chǎn)生活性的含氮?dú)夥?比如氨氣)；并且保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。

鋼的氮化只有在鋼的表面與活性氮原子接觸時(shí)發(fā)生反應(yīng)才能在常壓下完成?；钚缘颖仨毷前睔庠诘萜髦袩岱纸猱a(chǎn)生。鋼的氮化過(guò)程由下述三個(gè)步驟組成：1)在鋼的表面，氨氣分解產(chǎn)生活性氮原子；2)鋼的表面吸附剛分解的活性氮原子，它滲入表面形成固溶體，然后形成合金氮化物；3)氮原子向零件內(nèi)部擴(kuò)散。氨分解反應(yīng)方程式為：

2NH3=3H2+2[H]

鋼的表面就是氨分解的觸媒。但是，整個(gè)氮化過(guò)程非常緩慢，它包括活性氮原子被表面吸附；滲入表面；進(jìn)而向深處擴(kuò)散的全過(guò)程。因此，整個(gè)氮化過(guò)程的周期非常長(zhǎng)。為了縮短氮化時(shí)間，加速氮化反應(yīng)速度，必須在氮化過(guò)程中加入催滲劑。為此，我們付出了巨大的努力，花了很長(zhǎng)時(shí)間，研究成功了一套先進(jìn)的氮化催滲劑發(fā)生器系統(tǒng)。我們發(fā)現(xiàn)這種催滲劑對(duì)氮化具有特殊的催滲效果。只要在現(xiàn)有的氮化系統(tǒng)中連續(xù)通入這種催滲劑，氮化時(shí)間就會(huì)立刻大幅度縮短，形成了快速氮化技術(shù)。XD超級(jí)氮化催滲劑由氮化催滲劑、催滲劑發(fā)生器、快速氮化工藝組成，它已經(jīng)運(yùn)用在生產(chǎn)實(shí)踐中許多年了。

1.2 XD超級(jí)氮化催滲劑的內(nèi)容

1.2.1概念

將快速氮化催滲劑通入當(dāng)前的氨氣氮化系統(tǒng)中，我們就能實(shí)現(xiàn)快速氮化過(guò)程。將XD超級(jí)氮化催滲劑導(dǎo)入當(dāng)前的導(dǎo)航系統(tǒng)中就構(gòu)成快速氮化的完整系統(tǒng)。

1.2.2系統(tǒng)

快速氮化系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 快速氮化技術(shù)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 The schetch of the accelerated nitriding technique system

系統(tǒng)說(shuō)明如下：

1)氨氣供給系統(tǒng)應(yīng)包括氨氣瓶、壓力表、氨氣穩(wěn)壓閥、流量計(jì)；

2)氨氣干燥器；

3)氮化催滲劑發(fā)生器能連續(xù)供給XD超級(jí)氮化催滲劑；

4)XD超級(jí)氮化催滲劑載氣系統(tǒng)可以采用高純氮或裂解氨；

5)氮化包的氣密性良好，具備氨氣自循環(huán)系統(tǒng)；

6)具有排氣冷卻系統(tǒng)，保證排氣通暢；

7)氨分解率檢測(cè)系統(tǒng)。

XD超級(jí)氮化催滲劑在與零件表面是由一套特殊的發(fā)生器產(chǎn)生的，呈氣態(tài)。在氮化過(guò)程中，XD超級(jí)氮化催滲劑與氨氣同時(shí)進(jìn)入氮化包內(nèi)，在與零件表面接觸時(shí)，它將促進(jìn)氨氣分解呈活性氮原子；并保持活性氮原子的活性；促進(jìn)活性氮原子的吸附并滲入零件表面；進(jìn)而向零件深處擴(kuò)散。它能防止活性氮原子再轉(zhuǎn)變成分子氮；持續(xù)保持活性氮原子的活性。這樣，XD超級(jí)氮化催滲劑加速了整個(gè)氮化過(guò)程，氮化周期就大幅度縮短。這種催滲劑有超強(qiáng)的催滲效果，我們將它命名為XD超級(jí)氮化催滲劑。

XD超級(jí)氮化催滲劑具有顯著的活性，氮化零件的質(zhì)量好而且穩(wěn)定，適合用于工業(yè)生產(chǎn)。

1.2.3催滲劑發(fā)生器

XD超級(jí)氮化催滲劑發(fā)生器是一種特殊的裝置，它可以由幾種材料生成一種氣態(tài)物質(zhì)，這種氣態(tài)物資就是XD超級(jí)氮化催滲劑。它可以通過(guò)載氣攜帶并與氨氣一起送進(jìn)氮化包。這種XD超級(jí)氮化催滲劑就能使氮化過(guò)程大幅度加速。

表1 XD超級(jí)氮化催滲劑發(fā)生器

1.2.4快速氮化的工藝

快速氮化技術(shù)的操作程序如下：

1)在零件裝載前，仔細(xì)檢查氮化爐系統(tǒng)和催滲劑發(fā)生器系統(tǒng)，保證系統(tǒng)運(yùn)行正常；

2)仔細(xì)清潔零件表面的鐵銹、油污和贓物；

3)保護(hù)零件表面不允許氮化的部位，包括螺紋；

4)零件裝入氮化包，注意零件表面不得相互接觸，防止氮化面氮化不均；

5)蓋上氮化包，檢查系統(tǒng)后就可以通入氨氣，排盡包內(nèi)的空氣；

6)確認(rèn)包內(nèi)空氣排盡后，氮化爐可以送電，升溫；

7)當(dāng)包內(nèi)溫度升到400 ℃時(shí)，通入XD超級(jí)氮化催滲劑，持續(xù)保持到氮化過(guò)程結(jié)束；

8)氮化爐停止供電后，維持氨氣供應(yīng)直到包內(nèi)溫度≦150 ℃，停止氨氣供應(yīng)；

9)打開(kāi)氮化包，吊出零件，取出氮化試樣，送檢。

和當(dāng)前氨氣氮化相比快速氮化技術(shù)有下述優(yōu)點(diǎn)：

1)節(jié)能。降低大量能源消耗，節(jié)約用電成本超過(guò)50%；

2)環(huán)保。節(jié)約氨氣消耗50%，減少大氣排放50%；

3)避免粉塵。快速氮化技術(shù)有一項(xiàng)重要的功能是，能活化馬氏體不銹鋼表面的鈍化膜，以至于在氮化前取消如噴砂之類(lèi)的預(yù)處理，這就消除了粉塵；

4)高效。大幅度提高工效；

5)減小零件的變形?？焖俚夹g(shù)處理后的零件表面顏色是均勻的銀白色，顯示氮化層均勻，變形?。?/p>

總之，快速氮化技術(shù)是一種先進(jìn)的技術(shù)，具有節(jié)能、環(huán)保、高效等許多優(yōu)點(diǎn)。

2 運(yùn)用范圍

快速氮化技術(shù)適用于所有的合金鋼零件，如：38CrMoAl、25Cr2MoV、35CrMo、40Cr、42CrMo、40CrNiMo 等，也適用于馬氏體不銹鋼零件，如：1Cr13、、2Cr13、C422、1Cr11MoV、1Cr12WMoV 等。

3 XD超級(jí)氮化催滲劑的實(shí)際運(yùn)用

氮化技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)中的運(yùn)用十分廣泛，是一種不可替代的技術(shù)。但是，在當(dāng)前的氮化工藝中，最大的問(wèn)題就是氮化時(shí)間太長(zhǎng)，以致氮化成本很高。其次，氮化層較薄。在當(dāng)前的氮化過(guò)程中，只要向氮化包中通入XD超級(jí)氮化催滲劑，氮化時(shí)間就顯著縮短，氮化層深度就會(huì)顯著加深。

3.1 低合金結(jié)構(gòu)鋼的氮化

在機(jī)械制造行業(yè)中，許多重要零件都由這類(lèi)鋼制造。如：42CrMo、40CrNiMo、25Cr2MoV、35CrMo、40Cr、38CrMoAl等。這些材料經(jīng)淬火加高溫回火后，會(huì)變得更強(qiáng)，并具有更高的綜合性能。這些零件強(qiáng)度更高、韌性更好。經(jīng)加工和氮化處理后，零件將具有優(yōu)越的性能。這些材料的化學(xué)成分見(jiàn)表2。

1)氮化層深度≧ 0.30 mm

對(duì)這種技術(shù)要求的零件采用當(dāng)前的氮化工藝需≥ 40 h。但是采用XD超級(jí)氮化催滲劑加入當(dāng)前氮化工藝過(guò)程之中，氮化時(shí)間就會(huì)縮短到16 h內(nèi)。所有的技術(shù)問(wèn)題都圓滿解決。

2)氮化層深度≧ 0.50 mm

許多重要零件的氮化層要求更深一些。這些零件的圖紙上多半寫(xiě)成氮化層深度0.40～0.70 mm。設(shè)計(jì)者希望氮化層深度≧ 0.50 mm。但是，實(shí)際上氮化層深度≧ 0.50 mm是非常困難的，甚至有人認(rèn)為氮化層深度0.50 mm是極限。

表2 42CrMo 、35CrMo、40Cr、42CrNiMo 鋼化學(xué)成分( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% )

以42CrMo、35CrMo、40Cr鋼為例，在當(dāng)前氮化過(guò)程中，加入XD超級(jí)氮化催滲劑按前述操作程序，氮化工藝540 ℃×20 h，氮化試樣送檢。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，金相照片見(jiàn)圖2。

表3 XD超級(jí)氮化催滲劑氮化試樣的金相檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 40Cr、42CrMo鋼(a)和35CrMo鋼(b)的宏觀照片F(xiàn)ig.2 Macro photographs of 40Cr, 42CrMo steel (a) and 35CrMo steel (b)

(a)42CrMo氮化層硬度梯度曲線；(b) 40Cr鋼氮化層硬度梯度曲線；(c) 42CrMo、40Cr鋼氮化層硬度數(shù)據(jù)圖3 氮化層檢測(cè)結(jié)果(a) hardness gradient curve of 42CrMo steel nitriding case；(b) hardness gradient curve of 40Cr steel nitriding case；(c) hardness data of 42CrMo,40Cr steelFig.3 Tested results of nitriding case

對(duì)圖2的金相試樣進(jìn)行氮化層深度與對(duì)應(yīng)氮化層硬度(HV300g)檢查，結(jié)果如圖3所示。

3)氮化層深度0.80 ～1.00 mm或更深

人們自然會(huì)想到氮化時(shí)間延長(zhǎng)到40 h和80 h，會(huì)得到什么結(jié)果？

a)連續(xù)氮化40 h：氮化溫度540 ℃ ×20 h，氨分解率25%～35%；氮化溫度560 ℃×20 h，氨分解率30%～40% (總共40 h)。

要點(diǎn)：從氮化過(guò)程一開(kāi)始就連續(xù)向氮化包內(nèi)通入XD超級(jí)氮化催滲劑，按上述程序操作。

b)連續(xù)氮化80 h：氮化溫度540 ℃×20 h，氨分解率25%～35%；氮化溫度560 ℃×20 h，氨分解率30%～40% (總共40 h)。重復(fù)上述氮化工藝，就實(shí)現(xiàn)了80 h氮化的全過(guò)程。

要點(diǎn)：從氮化過(guò)程一開(kāi)始就連續(xù)向氮化包內(nèi)通入XD超級(jí)氮化催滲劑，按上述程序操作。

42CrMo鋼氮化40 h和80 h試樣的宏觀照片見(jiàn)圖4，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3，氮化層深度見(jiàn)表4，氮化層硬度梯度曲線，結(jié)果如圖5所示。

仔細(xì)分析這些曲線，我們得到了最好的氮化層。氮化層深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了0.50 mm，甚至100 h以?xún)?nèi)達(dá)到0.80～1.00 mm。這是工業(yè)生產(chǎn)能夠接受的。氮化層深度增加將能夠提高零件的耐磨性，提高零件的承載能力。我們把超過(guò)0.80～1.00 mm的氮化層深度命名為“超深氮化層”。它可以在各行業(yè)中采用。

圖4 42CrMo鋼氮化40 h(右)和80 h(左)的宏觀照片F(xiàn)ig.4 Macro photos of of 42CrMo steel after nitriding 40 h (right) and 80 h (left)

氮化時(shí)間/h204080氮化層深度/mm0.530.700.85

圖5中的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖5 42CrMo鋼氮化層硬度梯度曲線Fig.5 Hardness gradient curve of nitrided layer of 42CrMo steel

3.2 馬氏體不銹鋼的氮化

圖6為采用XD超級(jí)氮化催滲劑氮化的蒸汽輪機(jī)閥桿零件照片，這些閥桿零件用C422馬氏體不銹鋼制造，化學(xué)成分見(jiàn)表5。閥桿氮化前未經(jīng)任何預(yù)處理直接用汽油清洗后裝爐，氮化過(guò)程進(jìn)行順利，氮化時(shí)間被顯著縮短，零件表面呈漂亮的銀白色。

圖7為C422 氮化層深度-氮化層硬度變化曲線，氮化工藝為560 ℃×20 h，層深僅為0.17 mm。實(shí)際圖紙的技術(shù)要求為：氮化層深度≥0.30 mm。當(dāng)前氮化工藝中，如果氮化層深度≥0.30 mm，氮化工藝時(shí)間必須≥45 h?，F(xiàn)在，將XD超級(jí)氮化催滲劑加到當(dāng)前氮化工藝過(guò)程中，則氮化工藝時(shí)間立刻就從45 h縮短為20 h。氮化工藝為：580 ℃×10 h，630 ℃×10 h(總共 20 h)。C422 氮化結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 C422鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖6 XD超級(jí)氮化催滲劑氮化后的C422零件Fig.6 The C422 parts after nitriding with the XD super nitriding accelerant

表6 當(dāng)前氮化工藝與XD超級(jí)氮化催滲劑氮化工藝結(jié)果的比較

圖7 C422 氮化層硬度-深度曲線(560 ℃×20 h)Fig.7 The depth-hardness curve of C422 nitriding case (560 ℃×20 h)

C422馬氏體不銹鋼氮化工藝為：

1) 用汽油仔細(xì)清洗零件表面的油污和贓物；

2) 用高純氮做載氣攜帶XD超級(jí)氮化催滲劑與氨氣一起進(jìn)入氮化包；

3) 氮化工藝：580 ℃×10 h + 630 ℃×10 h(總共20 h)；

4) 當(dāng)溫度上升到400 ℃時(shí)，開(kāi)始通入XD超級(jí)氮化催滲劑，維持供應(yīng)直到氮化過(guò)程結(jié)束；

5) 停止供給XD超級(jí)氮化催滲劑；

6) 當(dāng)?shù)鼉?nèi)緩慢冷卻到 ≦150 ℃，停止氨氣供應(yīng)；

7) 吊出包內(nèi)零件，取出試樣，送檢。

試樣的檢驗(yàn)結(jié)果：氮化層深度0.30 mm；氮化層硬度≧ 1000 HV10kg。

馬氏體不銹鋼是Cr12型馬氏體耐熱不銹鋼的代表。包括C422、Cr11MoV、Cr12WMoV等。在蒸汽輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)中有許多重要零件是由它們制造的，而且必須經(jīng)過(guò)氮化處理。運(yùn)用XD超級(jí)氮化催滲劑加入當(dāng)前氮化工藝中，這是各種技術(shù)問(wèn)題的最好解決方案。

3.3 38CrMoAl應(yīng)用

在塑料機(jī)械中有許多重要零件由38CrMoAl制造，如螺桿等。這些零件在工作中，承受各種繁重載荷，如高溫、高摩擦、高擠壓等。因此，這些零件必須經(jīng)過(guò)氮化處理。而且氮化技術(shù)要求也非常高，氮化層深度0.40～0.70 mm；氮化層硬度850～ 900 HV10kg。

在國(guó)內(nèi)有許多廠家大量生產(chǎn)這些零件。為了生產(chǎn)零件，都采用普通氨氣氮化工藝。具體工藝如下：氮化溫度530～560 ℃，氮化時(shí)間80 h。氮化結(jié)果： 氮化層深度≥0.5 mm，氮化層硬度850～900 HV10kg。

現(xiàn)在，將XD超級(jí)氮化催滲劑通入現(xiàn)有的氨氣氮化系統(tǒng)中，氮化溫度530～560 ℃，氮化時(shí)間40 h，氮化試樣檢測(cè)結(jié)果：氮化層深度0.52～0.58 mm，氮化層硬度≧1000 HV10kg。

添加X(jué)D超級(jí)氮化催滲劑到當(dāng)前氨氣氮化處理系統(tǒng)中，氮化時(shí)間將從80 h縮短到40 h。用XD超級(jí)氮化催滲劑的氮化零件見(jiàn)圖8。

圖8 氮化零件Fig.8 Nitriding parts

3.4 氮化層深度0.80 ～ 1.00 mm氮化工藝的運(yùn)用展望

在機(jī)械制造行業(yè)中，齒輪是最重要的零件。它們承受最重的載荷，工作條件最?lèi)毫?。這些零件多用42CrMo制造。對(duì)它們的技術(shù)要求也非常高。要求如下：氮化層深度≥0.50 mm，許多工廠氮化時(shí)間都必須≥80 h。

前面已經(jīng)敘述了目前的氮化工藝中，添加X(jué)D超級(jí)氮化催滲劑到現(xiàn)有的氮化工藝系統(tǒng)中，氮化時(shí)間就可以從80 h縮短到30 h以?xún)?nèi)。

如果氮化時(shí)間20 h，氮化層深度0.51 mm；如果氮化時(shí)間30 h，氮化層深度≥0.60 mm；如果氮化時(shí)間40 h，氮化層深度≥0.70 mm；如果氮化時(shí)間80 h，氮化層深度≥ 0.85 mm；如果氮化時(shí)間100 h，氮化層深度0.80～1.00 h；

眾所周知，氮化層深度0.80～1.00 mm齒輪的承載能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氮化層深度≥0.50 mm齒輪。因?yàn)辇X部氮化層的耐磨性非常高，而且齒面的接觸疲勞也非常高。因此，氮化層深度0.80～1.00 mm的齒輪是最好的齒輪。氮化層深度0.80～1.00 mm的氮化層應(yīng)當(dāng)稱(chēng)作超深氮化層。具有超深氮化層的零件是最好的。

在當(dāng)前氮化工藝系統(tǒng)中添加X(jué)D超級(jí)氮化催滲劑是得到最優(yōu)秀氮化件的唯一正確解決方法。

4 結(jié)論

本文展示并推薦XD超級(jí)氮化催滲劑及其在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際運(yùn)用。XD超級(jí)氮化催滲劑對(duì)當(dāng)前氨氣氮化過(guò)程具有超強(qiáng)催滲效果，不僅能顯著縮短氮化時(shí)間，而且能獲得超深氮化層。特別是他能使氮化層深度加深到0.80～1.00 mm。為了得到最好的氮化零件，本項(xiàng)技術(shù)適合于工業(yè)生產(chǎn)之中。