杏彩体育竞彩:钢材软氮化处理工艺介绍

　　近年来，在气体氮化、气体软氮化方面，使用氢传感器的处理气氛检测技术、利用计算状态图的预测技术有了发展。控制氮化实现了氮化处理的自动化、稳定化和氮化气体的减量化。并且，通过对表面氮化合物层的选择生成，提高了氮化处理钢材的力学性能。

　　气体软氮化处理的钢种是软钢、碳素钢、低合金钢等钢种。图1（a）是气体软氮化处理钢种的金属组织的一个示例，图1（b）是气体软氮化处理钢种的硬度分布的一个示例。金属组织中，未被腐蚀液腐蚀的白色层是化合物层，其厚度是数微米至数十微米。化合物层的主要构成相是铁氮化合物的ε相（Fe2-3N）和γ相（Fe4N）。化合物层向内的部分是氮化物生成元素（Cr等）形成的微细合金氮化物的扩散层。含有氮化物生成元素钢种的扩散层的硬度很大。扩散层硬化的机制是微细合金氮化物的析出强化。虽然碳素钢因固溶强化也发生硬化，但硬化程度不如合金钢。化合物层的硬度因合金成分的不同而不同，碳素钢化合物层的硬度约为500HV，合金钢化合物层的硬度约为800HV。

　　如果碳素钢氮化处理后冷却速度缓慢，固溶的氮在冷却过程中会以氮化物的形态析出，引起氮化处理部件的疲劳极限下降。合金钢中有合金元素的氮化物析出，所以，合金钢氮化处理部件的性能不受冷却速度和温度的影响。薄而硬的化合物层与扩散层的组合，提高了氮化处理部件的耐磨耗性、抗热粘结性、耐疲劳性和耐蚀性。

　　可连续测定氢浓度的氢传感器可以对气体软氮化的处理气氛进行控制。利用氢传感器的处理气氛控制系统，以及炉内加热带与非加热带的温度差引起的热对流，将炉气导入设置在炉壁外的热传导传感器，所以，不需要输气配管，使系统结构更简单。此外，将炉内的氢分压与参照气体的氢分压的差压作为电动势的固体电解质氢传感器也已经实用化于处理气氛控制。使用固体电解质氢传感器的处理气氛控制系统的传感器安装在处理炉的加热带，所以，对处理气氛的控制更灵敏。

　　氮势KN=（PNH3/PH21.5），是氮化作用强度的参数。使用KN，可从Lehrer图获知某温度下的稳定氮化相。图2（a）是利用软件Themo-Calc做出的Lehrer图。从图中可知，高温高KN下的稳定氮化相是成分范围很大的ε相。γ相是低温低KN下的稳定氮化相，γ相的成分范围狭窄，在5.88%N附近。计算KN，需要有炉内的氢分压（PH2）和氨分压（PNH3）。但许多处理气氛系统根据导入炉内的各种气体流量比、气体成分和炉内氢分压测定值进行计算推定得出氨分压。这个计算是假定在炉内元素构成比不变和正确记录炉内各气体之间的反应的条件下进行的。所以，处理工件搬送时的外界干扰和惰性气体吹扫引起炉内元素构成比发生变化时，氨分压的计算推定结果会有误差，对此应予注意。

　　软氮化处理使用添加了含碳的气体，所以，炉气具有渗碳作用。渗碳作用的大小用碳势KCW、KCB表示。KCW是用水性气体反应基准定义的碳势（KCW = PH2 ·PCO /PCO2）。KCB是用布德瓦（ブ—ドワ）反应基准定义的碳势（KCB = PCO2 /PCO2）。KCM 、KCB、KN的计算方法相同，当氢分压确定后，KCM 、KCB、KN就确定了。但实际上有外部混入的氧化性气体影响，所以采用对炉内氢分压和氧化性气体成分进行测定，对炉气成分进行修正的方法。

　　根据KN、KCM（或KCB）和温度，可推定气体软氮化处理材的稳定相。图2（b）是利用软件Themo-Calc做出的Fe-N-C系560℃等温势图。该图的特征是，ε相具有很宽的稳定相区。如将碳势加上，ε相的稳定相区向低KN侧扩展。反之，高碳势侧不存在γ相。高碳势侧有θ相和渗碳体的稳定区。提高可吸热转变气体在氮化气氛中的比率，在氮化处理工件表面生成薄的渗碳体层，这是高碳势作用的结果。气体软氮化气氛的KCW是：使用可吸热转变气体时是0.5-3、使用二氧化碳时是0.05-0.5。气体软氮化气氛时多为2-5。

　　利用EBSD的电子束衍射，可以判定电子束照射部位的晶体结构。通常，将EBSD配置在SEM上使用。氮化处理产生的相中，γ相（Fe4N）的Fe原子配置是FCC结构，ε相（Fe2-3N）的Fe原子配置是HCP结构，母相α相（铁素体）的Fe原子配置是BCC结构。这些相的晶体结构不同，所以，可利用EBSD进行晶体结构解析后，对各相进行鉴别。

　　在相同条件下（560℃、KN=3.5）进行气体软氮化的各钢种的EBSD测定的相分布如图3（a）。气体软氮化SPCC钢从表面起顺次为ε相、γ相、α相。ε相与母相α相之间有薄层的γ相。Du等人用解析和数值计算求出的纯铁氮化和软氮化的化合物层的成长过程，与上述的气体软氮化SPCC钢的相构成相近。气体软氮化S35C钢的表面是ε相，母相与化合物层的界面上是ε相和γ相的混合相。此外，也有ε相与α相邻接的部位。气体软氮化SCM435钢的化合物层基本上是单相ε相，γ相呈零散分布状态。

　　上述的在相同氮化条件下，钢种不同，其化合物层的相结构不同的现象在低KN下，更为显著。图3（b）是低KN条件下（560℃、KN=1.0）气体软氮化的图3（a）钢种的EBSD测定的相分布图。SPCC化合物层是单相γ相，与Fe-N系势图所示结果相同。但化合物层的厚度约为KN=3.5时的1/2。原因是，KN=1.0时，γ相的成分范围狭窄，γ相的成长速度迟于ε相。此外，气体软氮化的S35C与SCM435的化合物层的相结构有很大不同。S35C化合物层的相结构主相是γ相，而SCM435的化合物层的相结构主相是ε相。由此可知，上述气体软氮化钢化合物层的ε相稳定性由高到低的顺序是：SCM435、S35C、SPCC。这种差别不仅是由于氮向化合物层渗入和扩散的不同，还有碳向化合物层渗入和扩散的差异。

　　梅原等人指出，氮化处理中，碳素钢化合物层相构成随时间的变化是钢表面脱碳和碳从母材向化合物层供给，引起化学势梯度变化的结果。KN=3.5气体软氮化的S35C的母材中的碳进入化合物层，使ε相稳定化，所以在母材与化合物层的界面上存在ε相。KN10气体软氮化时，化合物层表面的脱碳多于母材向化合物层的碳供给，所以，化合物层的主相是γ相。S35C和SCM435的母材碳浓度基本相同，所以，SCM435的化合物层的相结构受合金元素的影响较大。浅田等人对气体软氮化Fe-Cr-0.2C合金的研究报告指出，Cr含量升高，化合物层与母材界面处的ε相增多。由此可以认为，SCM435的母材向化合物层供给碳时，合金成分会以某种机制影响碳的供给速度和ε相的稳定性。

　　即使在相同条件下对钢进行气体软氮化处理，由于碳含量和合金元素添加的不同，不同钢种的化合物层的相结构不同。气体软氮化的可选择的处理条件非常宽泛，获得的力学性能也是多种多样。此外，氮化处理的一大特点是能耗少。采用氮化处理对于实现可持续发展非常有益。