鋼材的滲氮熱處理工藝

目錄

前言........................................................................1

1.鋼的滲氮：強化滲氮；抗蝕滲氮............................................2

2.滲氮用鋼................................................................2

3.滲氮零件注意事項........................................................3

4.氮化工藝技術的新進展....................................................3

4.1.不銹鋼的氮化........................................................3

4.2.先進熱處理設備及檢測................................................4

4.3.工藝技術改進........................................................5

4.4.新鋼種開發(fā)..........................................................7

5.結語.....................................................................8

前言

氮化工藝具有處理溫度低，工藝周期長的特點，經過氮化處理的零件硬化

層淺，表面硬度高，主要應用于承受載荷較低的零件。由于工藝技術的特點和

獲得性能不足，尤其對于不銹鋼零件的處理，表面穩(wěn)定的氧化膜問題使工藝的

實施增加許多麻煩等。近年來，為了進一步擴展改善氮化工藝技術，使性能得

到進一步提高，熱處理工作者不斷努力探索使氮化技術逐步向前推進，不斷有

新的突破，獲得可喜成果。

滲氮應用最廣泛的氣體滲氮，加熱溫度500C?600℃。氮原子與鋼的表面

中的鋁、銘、鋁形成氮化物，一般深度為0.1mm?0.6mm,氮化層不用淬火即

可得到很高的硬度，這種性能可維持到600C?650C。工件變形小，可防上

水、蒸氣、堿性溶液的腐蝕。但生產周期長，成本高，氮化層薄而脆，不宜承

受集中的重載荷。主要用來處理重要和復雜的精密零件。

滲氮的意思將氮滲入鋼鐵零件表面，從而得到具有良好理化性能的滲氮

層，具體表現在高硬度、耐磨性、抗咬合性能、紅硬件和良好疲勞強度等方

面。

雖然有時候淬火也能達到提高強度的目的，f日滲氮主要的特點是變形很

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小。要說缺點嘛，滲氮工藝的缺點是生產周期長〔一般要數十到數百小時）、成

本較高、滲氮層較?。ㄒ话銥?.5mm左右）、且脆性較大，因此，滲氮零件不能

承受太大的接觸應力和高的沖擊載荷。

1.鋼的滲氮：強化滲氮；抗蝕滲氮

使氮原子滲入鋼的表面，形成富氮硬化層的一種化學熱處理工藝。與滲碳

相比，滲氮處理后零件具有：高的硬度和耐磨性，高的疲勞強度，較高的抗咬

合性，較高的抗蝕性，滲氮過程在鋼的相變溫度以下（450℃?600℃）進行，因

而變形小，體積稍有脹大。缺點是周期長（一般氣體滲氮土藝的滲氮時間長達

數十到100h）、成本高、滲層?。ㄒ话銥?.5mm左右）而脆，不能承受太大間接

觸應力和沖擊載荷。

2.滲氮用鋼

從理論上講，所有的鋼鐵材料都能滲氮。但我們只將那些適用可滲氮處理

并能獲得滿意效果的鋼才稱為滲氮用鋼。凡含有Cr、Mo、V、Ti、Al等元素的

低、中碳合金結構鋼、工具鋼、不銹鋼（不銹鋼滲氮前需去除工件表面的鈍化

膜，對不銹鋼、耐熱鋼可直接用離子氮化方法處理）、球墨鑄鐵等均可進行滲

氮。

滲氮后零件雖然具有高硬度、高耐磨性和高的疲勞強度，但只是表面很薄

的一層（銘鋁鋁鋼于500℃?540℃經35h?65h滲氮層深只達

0.3mm?0.65mm）。必須有強而韌的心部組織作為滲氮層的堅實基底，才能發(fā)

揮滲氮的最大作用?？偟膩砜矗蟛糠譂B氮零件是在有摩擦和復雜的動載荷條

件下工作的，不論表面和心部的性能都要求很高。

如果用碳鋼進行滲氮，形成FedN和Fe?N較不穩(wěn)定。溫度稍高，就容易聚

集粗化，表面不可能得到更高的硬度，并且其心部也不能具有更高的強度和韌

性。為了在表面得到高硬度和高耐磨性，同時獲得強而韌的心部組織，必須向

鋼中加入一方面能與氮形成穩(wěn)定氮化物，另外還能強化心部的合金元素。如

Al、Ti、V、W、Mo、Cr等，均能和氮形成穩(wěn)定的化合物。其中Cr、W、Mo、

V還可以改善鋼的組織，提高鋼的強度和韌性。

目前專門用于滲氮的鋼種是385M0A1A,其中鋁與氮有極大的親和力，是

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形成氮化物提高滲氮層強度的主要合金元素。A1N很穩(wěn)定，到約1000C的溫度

在鋼中不發(fā)生溶解。由于鋁的作用使鋼具有良好的滲氮性能，此鋼經過滲氮表

面硬度高達1100--1200HV（相當67?72HRC）。38CrMoAlA鋼脫碳傾向嚴重，

各道工序必須留有較大的加工余量。

對高硬度、高耐磨性要求的氮化件，不宜選用碳鋼和一般合金鋼。對以提

高抗蝕性能為主的氨化件可選用碳鋼和一般合金鋼。

3.滲氮零件注意事項

1）滲氮前的預備熱處理調質--滲氮工件在滲氮前應進行調質處理，以獲得

回火索氏體組織。調質處理回火溫度一般高于滲氮溫度。

2）滲氮前的預備熱處理去應力處理--滲氮前應盡量消除機械加工過程中產

生的內應力以穩(wěn)定零件尺寸。消除應力的溫度均應低于回火溫度，保溫時間比

回火時間要長些，再緩慢冷卻到室溫。斷面尺寸較大的零件不宜用正火。工模

具鋼必須采用淬火回火，不得用退火。

3）滲氮零件的表面粗糙度Ra應小于1.6um,表面不得有拉毛、碰傷及生

銹等缺陷。不能及時史理的零件須涂油保護，以免生銹。吊裝入爐時再用清潔

汽油擦凈以保證清潔度。

4）含有尖角和銳邊的工件，不宜進行氮化處理。

5）局部不氮化部位的保護，不宜用留加工余量的方法。

6）表面未經磨削處理的工件，不得進行氮化，

4.氮化工藝技術的新進展

4.1.不銹鋼的氮化

眾所周知，對于不銹鋼由于表面存在的穩(wěn)定氧化膜問題，會阻止氮原子的

滲入。在實施氮化前必須首先清除或活化氧化膜。傳統(tǒng)的做法是：磷化、噴

砂、酸洗或向爐內通入（添加）氯敘及硫磺系列的活化劑，去除或破壞保護膜使

其表面活化，以有利于氮的滲入。然而，活化劑不僅對零件表面均有不同程度

的損傷，而且對爐襯、加熱元件和測試裝置均有一定的傷害。

為了解決不銹鋼的氮化問題，有人對于奧氏體不銹鋼氮化進行研究，在氮

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化前預先在真空滲碳爐中對不銹鋼進行淺層滲碳處理，通過真空滲碳處理使碳

與Cr元素結合，以去除穩(wěn)定的保護膜，這樣就不用擔心保護膜的阻擋作用，

可以采用通常的氣體氮化爐直接實施表面硬化。結果表明，氮化效果良好，表

面硬度可以達到1000HV0.L其耐磨性也與常規(guī)氮化相當。此工藝技術實際

是一種復合化學熱處理，雖然解決了氮化問題，但是由于前期實施的滲碳溫度

較高，熱處理變形相對增加，實際應用應該慎重考慮。

傳統(tǒng)磷化作為不銹鋼的氮化前處理也有所應用，但由于存在一定問題，實

際應用受到限制。為了解決AISI420不銹鋼的直接氮化問題，作者對磷化處理

劑進行篩選優(yōu)化試驗，采用LD-2311不銹鋼專用磷化劑，選擇90?100℃,

10?15min處理方案，作為氮化的前處理進行生產性應用。結果表明，此方法

不僅簡單、穩(wěn)定，而且使氮化速度加快，滲層無脆性，表面硬度可以達到

1180HVo成功的解決了可控氮化爐不能進行不銹鋼氮化的難題。

4.2.先進熱處理設備及檢測

為了可靠提升氮化質量和生產效率，降低生產成本，近年來，高性能智能

化的專用氮化爐相繼推出，并投入生產使用表現良好技術和經濟效果。我公司

購置使用德國LPSEN（見圖1）和IVA智能化可控氮勢氮化爐（見圖2）生產零件

質量穩(wěn)定可靠，其性能高于常規(guī)氮化質量，成本明顯降低，表現優(yōu)良的技術和

經濟效果。該爐型配備了先進可靠的智能化氮化控制系統(tǒng)，可以有效實現對氮

勢設定或可靠控制，獲得不同工藝要求的氮化質量；配備了快冷卻裝置（IVA真

空氮化爐有兩種冷卻方式可供不同工藝要求選擇）實現氮化完成后的快速降

溫，有效縮短工藝周期，并使表面能夠得到較常規(guī)氮化更高的硬度；配備了高

壽命氫探頭（已經使用10年）保證氮勢的可靠調節(jié)或控制。此外，爐的密閉性達

到高標準，在封閉式廠房運行基本嗅不到氨的氣味，作到了完全無公害的綠色

生產條件。

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圖1EPSEN可控氮勢氮化爐

圖2IYA真空氮化爐

多年使用驗證，該智能化氮化爐是應該替代常規(guī)氮化爐的最佳爐型，推廣

使用將會徹底擺脫氮化質量不良，環(huán)境條件差的不利局面。

4.3.工藝技術改進

一種新工藝是加壓氮化，其方法是提高爐內壓力，對具有復雜形狀的合金

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鋼零件顯示良好效果。對于小直徑深盲孔（小于0.40mm）都能夠獲得滿意氮化

效果。對于鈦合金的氮化可以將溫度減低到600C。

為了解決氮化周期長的問題，有人提出脈沖或循環(huán)兩段快速氮化的概念，

該工藝是將多個周期較短的兩段氮化加以循環(huán)，在每個循環(huán)的不同階段確定不

同的控制環(huán)節(jié)，同時使界面吸收與擴散的速度充分匹配，相互促進，循環(huán)加速

充分利用擴散和強滲的高速段提高氮化速度。試驗表明，采用此工藝氮化周期

較常規(guī)工藝周期縮短1/3?1/2。其提高氮化的速度是明顯的。

不同催滲方法的應用使氮化工藝過程大大縮短，性能得到改善，受到廣大

熱處理工作者的關注。近年來，研究較多的有：稀土、碘、活性鈦、預氧化

等，關于催滲機理雖然有不同的解釋。但是，基本原理均是建立在提高氣氛的

活性和改善表面狀態(tài)兩個方面。

眾所周知，氮化零件表面活性對于氮化有明顯影響，我們在生產過程發(fā)

現，同樣鋼材加工方式的不同，精加工或磨加工氮化效果有所不同。說明表面

活性對實際氮化有一定的影響。為了定性表面狀態(tài)的影響，有人對不同的表面

狀態(tài)計算活性系數，其結果為：精拋為0.20,冷拉0.30,粗拋0.45,噴砂

085,化學侵蝕0.90。且在同樣條件進行試驗。結果表明，隨著活性系數增

大，重量依次增加，可以證明，氮化零件表面活性對實際氮化的作用不可忽

視.

預氧化氮化是近年來提出的一種新的氮化工藝，其原理是氮化入爐不急于

換氣，而是在低于氮化溫度的氧化氣氛條件下加熱使表面生成一定的氧化膜

（主要為FesO助，利用氧化膜的特殊活化作用，增加表而活性氮的吸附作用，

以提高氮化速度。實際應用表明，氮化初期表面形成的Fe3（）4層能與氨反映形

成￡氮化物，同時氮可以迅速穿透該層滲入金屬基體，并在基體中形成丫氮化

物。結果可以證明，預氧化形成的FC3O4氧化膜對氮化不但沒有阻擋作用，相

反有一定的顯著的促進作用，與常規(guī)氮化比較，其氮增量貢獻率達到45%,

有人采用40Cr和38CrMoAi鋼的試驗表明，短時間預氧化獲得的氧化膜

可以加速滲氮和氮碳共滲，而長時間（大于0.5h）對氮化有抑制作用。試驗對比

提出，在580、550和620℃預氧化5?lOmin能使氮化加速30%?50%。

關于預氧化氮化的催滲機理，提出兩種觀點：一是預氧化表面和預氧化層

內部本身的疏松多孔垢構有利于氨的分解，釋放原子氮；另一方面是反應所釋

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放的氧被吸附進入材料造成氧氮共滲，而氧的共滲對氮化過程有一定的促進作

用。值得指出，預氧化對于大多數鋼是有效的。對于表面形成其他類型的氧化

物為主的高合金鋼，其效果有待于進行深入研究。

對于預氧化氮化的問題報道的結果有一定差異，認為造成結果不同的原

因，不外呼是試驗或生產的條件（預氧化工藝、設備和材料等）的不同所致。但

是，大多數的研究均認為預氧化促進氮化的作用是有效的。

氮化前鋼的組織硬度對氮化有一定影響，試驗數據（見表1）表明，作為預

光熱處理調質，盡可能提高有利于氮化效果的提升。

表1預先熱處理調質硬度對氮化的影響

至表面的距離（mm）的硬度HV0.3

材料基體硬度HRC

0.050.100.150.200.250.300.350.40

40Cr22/24478419366336321308297293

26/28530493426382339312307300

31/33582539493438400374354340

35CrMo24/25491431394351338324314312

27/29540490430380362341330320

31/33586545508442392380364354

可以看出，隨著40Cr、35CrMo鋼調質硬度的提高氮化表面硬度提高，深

度變淺?？梢哉J為，回火溫度的提高材料基體中的合金炭化物將會聚集張大，

減少了炭化物的彌散度，從而降低了氮化時氮的阻力，表現滲速加快，層深增

加。

4.4.新鋼種開發(fā)

為了改善或提高鋼的氮化性能，氮化專用鋼的研究一直不斷在進行。研究

認為，鋼的化學成分是影響氮化的主要因素，鋼中碳和氮的溶解是相互排斥

的，在滿足鋼性能的前提下，降低碳含量有益于氮化速度的提高?；谠撍?/p>

路，調整優(yōu)化化學成分推出的28CrMoV新氮化鋼具有優(yōu)于38CrMoAi鋼的強韌

性，又具有常規(guī)Mo-Cr和Mo-Cr-V合金鋼的更優(yōu)異氮化性能。同樣氮化條件

下，氮化周期可以大幅度縮短。

研制低碳無鋁和低鋁的氮化鋼（見表2）與傳統(tǒng)38CrMoAi鋼的各項性能進

行綜合比較，結果表明，在同樣氮化條件下無鋁氮化鋼有較高的滲層深度和硬

度，且硬度剃