气体氮碳共渗工件质量的检验及其控制

钟新武

武平县不锈钢技术研发中心，福建 龙岩 364300

气体氮碳共渗工件质量的检验及其控制

钟新武

武平县不锈钢技术研发中心，福建 龙岩 364300

气体氮碳共渗是提高金属材料表面耐磨性、耐蚀性、抗疲劳等性能有效的化学热处理，在机械制造业中广泛应用。本文以金相分析为手段，在仔细探索其规律的同时，对其质量检验与质量控制提出了独到的见解，对生产实践具一定的指导作用。

气体软氮化；过程；规律；预处理；共渗工艺；金相检验；显微硬度试验

气体氮碳共渗又称气体软氮化，是一种以渗氮为主的氮碳共渗工艺，是将活性氮原子渗入钢的表面，从而改变钢的表面成分，因而提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性等的一种化学热处理。其主要特点是处理温度低、零件变形小，具良好的耐蚀性、耐磨性，这些，皆同于硬氮化，但却优于硬氮化：其工艺周期较短、无明显的氮扩散层、表面脆性较小，因而在机械制造业中广泛应用，掌握其实践规律，进而自如地控制其质量就显得更为紧迫和必要。

有关文献指出：（1）金相检验是常规的软氮化质量的检验手段。（2）硬度是金属材料力学性能重要指标之一，显微硬度是表征显微组织硬度的一个重要指标，显微硬度试验与金相检验一起，成为人们判断软氮化质量优劣的重要手段。

1 气体软氮化的实践规律

（1）图一显示的是08钢（含碳0.05～0.10%）气体软氮化后的金相组织：表面白色化合物层较宽（约0.046mm），最表层有较多的疏松孔隙（深约0.02～0.03mm），第二层为氮化马氏体及残余奥氏体组织（深约0.01mm），并出现部分黑色针状回火马氏体，里层为含氮铁素体及少量颗粒状三次渗碳体。渗层各层的显微硬度值如下：表面疏松区为452HV；白色化合物层为604HV；氮化马氏体层为509HV；里层铁素体为173HV；表层虽有较多的疏松孔隙，但未连成片，仅降低一些硬度，仍属合格疏松级别。图二显示的是45钢（含碳0.42～0.49%）气体软氮化后的金相组织：表面白色化合物层约有0.01mm，显微硬度为508HV；基体组织为球粒状珠光体，在基体上有少量分散分布的黑色针状γ，相（Fe4N）,它一直延伸至心部。扩散层的显微硬度值如下：离表面0.03mm处为235HV；0.08mm处为233HV；0.13mm处为193HV（球化退火后的硬度范围）。由此可见，在气体软氮化过程中，钢中的含碳量直接影响共渗时的扩散速度和深度：含碳量增高，共渗时的扩散速度和深度下降，这是因为钢中的渗碳体及片状珠光体量相对增多，使得易溶解氮的铁素体量相对减少，从而减少了渗层深度。

图一 500⋆

图二 500⋆

（2）图三显示的是40Cr在气体软氮化后的金相组织：最表层呈灰褐色的是氧化层组织；白亮层深度约为0.018～0.022mm；次层为ε相化合物，一般疏松层；接下来是较致密的ε相化合物，基体以索氏体为主。通过对图二、图三的金相对比可发现：在气体软氮化过程中，钢中的合金元素，尤其是能溶入铁素体从而提高氮在α相中的溶解度的合金元素（W、Mo、Cr、Ti、V、Zr、Nb），对共渗过程及程度有很大影响，它们的氮化物稳定且呈高度弥散分布，在高温下不溶于铁也不聚集。

图三 500⋆

（3）图四显示的是45钢在气体软氮化后的金相组织：表层为ε相化合物，其中有三分之一疏松层；基体为片状珠光体以及块状铁素体（很明显，工件未经调质处理），这基体很不利于氮原子的扩散，故层下未见弥散ε相化合物。再把图三、图五的金相组织作个比较，图五显示的金相组织为：表面白亮层——ε相化合物致密层约为0.018～0.02mm，最表面有少许疏松层，基体为片状珠光体和铁素体（显然，工件未经调质处理），它不利于氮原子的扩散，因而层 下未见弥散ε相化合物。图四、图五工件的共渗时间也有延长。综上所述，气体软氮化应在调质或球化退火后进行，因为，索氏体组织有利于氮的吸收，对工件变形的控制也更容易。

图五 500⋆

图六 400⋆

2 几种典型材料的气体软氮化工艺及其金相组织

特别强调，工件欲渗表面须用工业汽油、毛刷仔细清洗，将其整齐摆放在特制吊篮中，欲渗表面不可相互触碰，装好炉后才开始以下工序（ α-氨分解率，P-炉内压力高过炉外的水柱高度/ mm）。

2.1 球铁

（1）工艺：A、320℃保温2.5小时后通入NH3、CO2（氨气流量的1/20——1/18）B、530℃保温2.5小时，α15-20，P100-120 C、560℃保温4小时，α50-55，P120-150

（2）金相组织

图六试样经正火、上述工艺软氮化后的组织，表面白亮层为化合物层，扩散层为回火屈氏体及弥散分布的γ，相（Fe4N）,心部为细回火屈氏体。球铁工件共渗后，表面有球墨处氮不能渗入球墨，但氮与球墨周围的金属基体起作用，形成一薄层氮化合物，环绕着石墨四周。

2.2 高铬模具钢Cr12MoV

（1）共渗前预处理—球化退火 860℃保温3.5小时炉冷至730℃保温7小时，炉冷至500℃下出炉。

（2）共渗工艺：A、300℃保温2小时后通入NH3、CO2；B、530℃保温3.5小时，α15—20，P100—120 C、570℃保温6小时，α35—40 ，P130-160

（3）金相组织：如图八，心部基体为索氏体及球粒状珠光体，其中有块状和颗粒状分布的共晶碳化物及二次碳化物。表面有一层白色富氮ε相，其中有颇多隐约可见的颗粒状碳化物，稍向里为渗氮扩散层，出现多量粗的脉状分布的氮化物，这组织表明，共渗时氮浓度很高，以至于渗氮层表面获得氮浓度较高的显微组织，这层组织厚而脆，易在使用中剥落。

图八 500⋆

图九 500⋆

2.3 奥氏体耐热钢 5Cr21Mn9Ni4N

（1）共渗前预处理

A、固溶处理：1150℃保温后风冷。

B、时效：750℃保温后空冷。

（2）共渗工艺

A、320℃保温2小时后通NH3、CO2； B、470℃保温5小时 ，α15—18 P100 C、560℃保温5小时，α45—55 P120 D、炉冷3小时，α55—60 P140

（3）金相组织：如图九，浸蚀剂为20ml水+20ml盐酸+4g硫酸铜，最表层的灰褐色层（厚约7μm）为氧化物，其中最表面白色横向线为原ε相，深约2.5μm(本试样为排气门，已经过500小时运行)；第二层黑色柱状晶带为高浓度氮的扩散层；第三层白色带状区为低浓度氮的扩散层，至里为母材奥氏体晶粒，其上布有细小黑色碳化物颗粒。

3 结束语

笔者在十几年的生产实践中参阅有关文献，对气体软氮化的规律、质量控制进行了详尽的探索：

（1）因铁的氮化物在560℃以上就会分解，软氮化的温度常定于480--580℃间。

（2）该工艺的关键在于把氨分解率控制在15--65%间。

（3）软氮化时，母材中的含碳量提高，扩散速度、深度会下降。

（4）W、 Mo、 Cr、 Ti、 V、Zr、Nb均能溶入铁素体而提高氮在α相中的溶解度，形成的氮化物稳定且呈高度弥散分布。

（5）该共渗处理应在调质或球化退火处理后进行。

（6）从上可看出金相分析、显微硬度试验在软氮化质量检验与控制中的重要作用。

以上六点，是实现好的软氮化质量之关键。

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[1]崔忠圻.金属学与热处理[M].机械工业出版社，2007.

[2]王运炎.机械工程材料[M].机械工业出版社，2001.

[3]赵新兵.材料的性能 [M].高等教育出版社，2006.

[4]胡义祥.金相检验实用技术[M].机械工业出版社，2012.

[5]陆兴.热处理工程基础[M].机械工业出版社，2007.

[6]王忠诚.热处理常见缺陷分析与对策[M].化学工业出版社，2008.