渗氮层薄的像蛋壳，渗氮技术如何突围？
渗氮层薄的像蛋壳，渗氮技术如何突围？
- 2022/9/19 8:47:14
渗氮可以在微变形条件下，显著提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性，但是相对渗碳而言，渗氮层薄，基体硬度低，俗称“蛋壳”现象，严重限制了渗氮技术的应用范围。开发时效硬化钢就是为了扩大渗氮技术的应用范围。
目前，在表面热处理领域主要采用三种工艺：渗碳、感应淬火和渗氮。渗氮工艺主要问题是渗层较薄、基体硬度较低和渗氮时间较长，解决这些问题是发展渗氮技术的主要途径。
一、渗氮层与渗碳层对比
1.1 渗碳渗碳工艺是在低碳钢或低碳合金钢表层增碳，形成过共析、共析和亚共析组织，经过淬火和低温回火，从表面至里依次获得高碳、中碳和低碳马氏体组织，其性能是表面具有高硬度和耐磨性，而心部具有强韧性，并有很好的过渡层组织。但是，受钢的淬透性影响，渗碳后淬火组织不一定得到理想的高碳马氏体组织，而且还有淬火开裂和变形等弊病。渗碳的优势是渗层厚，可达3~5mm，能满足大多数重载零件服役条件的要求。渗碳零件在强韧性上有优势，但耐磨性、耐蚀性和抗胶合性能则不如渗氮件。
1.2 渗氮渗氮工艺可在中碳钢或中碳合金钢，以及几乎所有钢铁材料、钛合金、特种合金表层渗氮，形成化合物层和强化扩散层，不需要进行高温淬火，经过低温扩散即可得到高硬度耐磨、耐蚀和抗疲劳的渗层。由于采用无相变的低温扩散工艺，因此渗氮件变形小，渗氮层较薄，但是渗氮层有独特的可控优势，是区别渗碳工艺的特征，渗氮化合物层的脆性则是渗氮工艺的一项可控缺陷。
渗氮层可以采用控制渗氮气氛中氮和碳含量，调整渗氮工艺以及改变渗氮钢基体合金成分，来实现控制渗氮层表面强化和次表层的强化，并控制和改变渗氮化合物层结构和性能，改善和消除渗氮层脆性。
二、深层渗氮钢的优势
开发的时效硬化钢可以提高渗氮基体硬度和强化扩散层，在深层渗氮硬化和时效硬化双重强化作用下，可以解决渗氮层薄和渗氮件承载能力不足的缺陷。
图1给出了采用深层渗氮硬化技术的渗氮与渗碳效果对比。20Cr3MnMoV钢920℃×2h固溶处理520~540℃×50h深层离子渗氮，38CrMoAl钢520~530℃×50h离子渗氮，20CrMnTi钢930℃渗碳＋850℃油中淬火。三种材料不同工艺处理结果表明，时效硬化钢深层离子渗氮表面硬度高，表层强化效果显著，基体硬度高，显著高于渗碳钢，更高于38CrMoAl渗氮钢。
图1 渗氮钢与渗碳钢的硬化曲线
三、深层渗氮钢的应用
由于浅层渗氮次表层强化不足，因此仅适用于轻载和以耐磨为主的服役条件。为了渗氮技术在重载耐磨和复杂应力条件下的应用，研发了深层离子渗氮硬化技术并开发了时效硬化渗氮钢。
渗氮零件在重载耐磨和重载复杂应力条件下工作时，典型零件如重载齿轮的工作条件，承受接触应力和弯曲应力，渗氮层次表层承受最大的剪切应力，渗氮层剥落和疲劳破坏往往发生在次表层，因此充分强化次表层是渗氮零件能否在重载条件下工作和充分发挥渗氮强化潜力的关键。
四、时效硬化渗氮钢的技术参数
深层渗氮硬化技术的核心是渗氮次表层显著强化和采用时效硬化渗氮钢，使渗氮基体硬度提高到400~450HV以上。
研制成功两种时效硬化钢20CrNi3Mn2Al和20Cr3MnMoV，试验用钢化学成分见表1。
表1 试验钢的化学成分（质量分数） （%）
时效硬化钢的特点是采用空冷固溶处理，不需油淬或水淬，以减少淬火应力，减少淬火畸变，增加尺寸稳定性，而渗氮过程中同时进行时效硬化，可得到比调质钢更强化更稳定的基体组织。这种时效硬化钢渗氮前基体为过饱和固溶体组织（粒状贝氏体＋板条马氏体），时效后为一个高强度的稳定组织，其强化效果见表2。
表2 时效硬化钢强化效果
开发的时效硬化钢目的在于实现渗氮件的深层渗氮硬化，挖掘渗氮的潜力，提高渗氮件的承载能力，拓宽渗氮的应用范围，实现重载齿轮和重载耐磨件渗氮的工业应用。
这种时效硬化钢的时效硬化峰值温度为520~560℃，适合于将渗氮和时效两个工序合并，实现渗氮硬化和时效硬化同时完成。但是，渗氮硬化的扩散过程和时效硬化的沉淀硬化过程，两者时效因子不同，相互产生影响。经过试验，开发了一种变温离子渗氮工艺，优先实现渗氮的深层扩散硬化，同时兼顾基体时效硬化，实现了深层渗氮硬化的目的。深层离子渗氮硬化曲线如图2所示。
图2 三种钢深层离子渗氮硬化曲线
试验结果表明，时效硬化钢采用变温离子渗氮工艺，实现了深层渗氮时效硬化、深层扩散和基体强化。20CrNi3Mn2Al钢和20Cr3MnMoV钢空冷固溶处理后，硬度分别为33~36HRC和40~44HRC；经过520~540℃×50h深层离子渗氮处理后渗氮表面硬度大于1000HV1，渗氮层深分别为0.75mm和0.60mm；渗氮表面下0.4mm处硬度分别达到652HV0.1和748HV0.1，渗氮基体硬度分别为431HV0.1（44.5HRC）和488HV0.1（48.5HRC）。
时效硬化钢表层渗氮硬化和基体时效硬化的叠加效应，会造成渗氮件渗氮尺寸发生微小变化，为了控制和减小这种尺寸变化，在保证渗氮层和基体强化的同时，控制这种叠加效应，采用在渗氮前进行渗氮件基体预先部分过时效，实现了精密渗氮件的微变形处理。
预时效可调整固溶处理后硬度，以便更适合于机械加工。600~650℃预时效后，20CrNi3Mn2Al钢从33~36HRC降至28~31HRC，20Cr3MnMoV钢从40~44HRC降至35~38HRC。
表3和表4表明，预时效工艺适用于时效硬化钢精密渗氮件，可确保渗氮次表层渗氮硬化和基体的时效硬化。
表3 20CrNi3Mn2Al钢预时效对渗氮硬化的影响
表4 20Cr3MnMoV钢预时效对渗氮硬化的影响
上述试验结果和生产应用表明，20CrNi3Mn2Al钢适合于制造有效厚度≤250mm高性能渗氮齿轮和渗氮件，20Cr3MnMoV钢适合于制造有效厚度≤150mm的重载耐磨件（包括模具）。新钢种工艺开辟了提高渗氮件性能和扩大渗氮工艺应用的新途径。新钢种工艺和应用研究还有许多工作待完成，新钢种成本还较高，需要深入开发适合不同应用场合的系列渗氮钢和新时效硬化钢。
五、结束语
开发时效硬化渗氮钢是研发深层渗氮硬化技术的基础。实现深层渗氮硬化是挖掘渗氮潜力，提高渗氮件承载能力，拓宽渗氮应用范围，实现重载齿轮和重载耐磨件渗氮工业应用的关键。深入开发廉价和高性能的时效硬化钢，完善其渗氮工业应用，对渗氮行业发展有重要意义。