XD超級氮化催滲劑的運用

鄭宏達

(德陽市興達熱處理技術服務部，四川 德陽 618000)

鋼制零件經淬火及高溫回火，并完成精加工后，放入500～600 ℃的密封容器內；容器中連續通入氨氣，并連續保持數十小時，甚至超過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、很高的殘余壓應力、高耐磨性、抗咬合性，零件的疲勞強度大幅度提高。同時，這種氮化層的高硬度可以在高溫下繼續保持，即在高溫條件下仍具有良好的耐磨性。因此氮化技術廣泛運用于機械制造中。

但是，現有的氮化工藝時間太長，一個氮化周期需要持續幾天，甚至超過一周的時間。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，即在現有的氮化工藝系統中添加XD超級氮化催滲劑，就能夠大幅度縮短氮化工藝時間，節約大量能源和氨氣，顯著降低氮化工藝成本。同時，添加XD超級氮化催滲劑能使氮化工藝過程在100 h以內，使氮化層深度達到0.8～1.00 mm或更多。

1 XD超級氮化催滲劑氮化技術

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程。實現氮化過程的必要條件是：整個過程必須在密閉的容器內；保持500～600 ℃的高溫；持續通入能產生活性的含氮氣氛(比如氨氣)；并且保持足夠長的時間。

鋼的氮化只有在鋼的表面與活性氮原子接觸時發生反應才能在常壓下完成?；钚缘颖仨毷前睔庠诘萜髦袩岱纸猱a生。鋼的氮化過程由下述三個步驟組成：1)在鋼的表面，氨氣分解產生活性氮原子；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)氮原子向零件內部擴散。氨分解反應方程式為：

2NH3=3H2+2[H]

鋼的表面就是氨分解的觸媒。但是，整個氮化過程非常緩慢，它包括活性氮原子被表面吸附；滲入表面；進而向深處擴散的全過程。因此，整個氮化過程的周期非常長。為了縮短氮化時間，加速氮化反應速度，必須在氮化過程中加入催滲劑。為此，我們付出了巨大的努力，花了很長時間，研究成功了一套先進的氮化催滲劑發生器系統。我們發現這種催滲劑對氮化具有特殊的催滲效果。只要在現有的氮化系統中連續通入這種催滲劑，氮化時間就會立刻大幅度縮短，形成了快速氮化技術。XD超級氮化催滲劑由氮化催滲劑、催滲劑發生器、快速氮化工藝組成，它已經運用在生產實踐中許多年了。

1.2 XD超級氮化催滲劑的內容

1.2.1概念

將快速氮化催滲劑通入當前的氨氣氮化系統中，我們就能實現快速氮化過程。將XD超級氮化催滲劑導入當前的導航系統中就構成快速氮化的完整系統。

1.2.2系統

快速氮化系統如圖1所示。

圖1 快速氮化技術系統簡圖Fig.1 The schetch of the accelerated nitriding technique system

系統說明如下：

1)氨氣供給系統應包括氨氣瓶、壓力表、氨氣穩壓閥、流量計；

2)氨氣干燥器；

3)氮化催滲劑發生器能連續供給XD超級氮化催滲劑；

4)XD超級氮化催滲劑載氣系統可以采用高純氮或裂解氨；

5)氮化包的氣密性良好，具備氨氣自循環系統；

6)具有排氣冷卻系統，保證排氣通暢；

7)氨分解率檢測系統。

XD超級氮化催滲劑在與零件表面是由一套特殊的發生器產生的，呈氣態。在氮化過程中，XD超級氮化催滲劑與氨氣同時進入氮化包內，在與零件表面接觸時，它將促進氨氣分解呈活性氮原子；并保持活性氮原子的活性；促進活性氮原子的吸附并滲入零件表面；進而向零件深處擴散。它能防止活性氮原子再轉變成分子氮；持續保持活性氮原子的活性。這樣，XD超級氮化催滲劑加速了整個氮化過程，氮化周期就大幅度縮短。這種催滲劑有超強的催滲效果，我們將它命名為XD超級氮化催滲劑。

XD超級氮化催滲劑具有顯著的活性，氮化零件的質量好而且穩定，適合用于工業生產。

1.2.3催滲劑發生器

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

表1 XD超級氮化催滲劑發生器

1.2.4快速氮化的工藝

快速氮化技術的操作程序如下：

1)在零件裝載前，仔細檢查氮化爐系統和催滲劑發生器系統，保證系統運行正常；

2)仔細清潔零件表面的鐵銹、油污和贓物；

3)保護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，檢查系統后就可以通入氨氣，排盡包內的空氣；

6)確認包內空氣排盡后，氮化爐可以送電，升溫；

7)當包內溫度升到400 ℃時，通入XD超級氮化催滲劑，持續保持到氮化過程結束；

8)氮化爐停止供電后，維持氨氣供應直到包內溫度≦150 ℃，停止氨氣供應；

9)打開氮化包，吊出零件，取出氮化試樣，送檢。

和當前氨氣氮化相比快速氮化技術有下述優點：

1)節能。降低大量能源消耗，節約用電成本超過50%；

2)環保。節約氨氣消耗50%，減少大氣排放50%；

3)避免粉塵?？焖俚夹g有一項重要的功能是，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的預處理，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??；

總之，快速氮化技術是一種先進的技術，具有節能、環保、高效等許多優點。

2 運用范圍

快速氮化技術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超級氮化催滲劑的實際運用

氮化技術在機械制造行業中的運用十分廣泛，是一種不可替代的技術。但是，在當前的氮化工藝中，最大的問題就是氮化時間太長，以致氮化成本很高。其次，氮化層較薄。在當前的氮化過程中，只要向氮化包中通入XD超級氮化催滲劑，氮化時間就顯著縮短，氮化層深度就會顯著加深。

3.1 低合金結構鋼的氮化

在機械制造行業中，許多重要零件都由這類鋼制造。如：42CrMo、40CrNiMo、25Cr2MoV、35CrMo、40Cr、38CrMoAl等。這些材料經淬火加高溫回火后，會變得更強，并具有更高的綜合性能。這些零件強度更高、韌性更好。經加工和氮化處理后，零件將具有優越的性能。這些材料的化學成分見表2。

1)氮化層深度≧ 0.30 mm

對這種技術要求的零件采用當前的氮化工藝需≥ 40 h。但是采用XD超級氮化催滲劑加入當前氮化工藝過程之中，氮化時間就會縮短到16 h內。所有的技術問題都圓滿解決。

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成氮化層深度0.40～0.70 mm。設計者希望氮化層深度≧ 0.50 mm。但是，實際上氮化層深度≧ 0.50 mm是非常困難的，甚至有人認為氮化層深度0.50 mm是極限。

表2 42CrMo 、35CrMo、40Cr、42CrNiMo 鋼化學成分( 質量分數，% )

以42CrMo、35CrMo、40Cr鋼為例，在當前氮化過程中，加入XD超級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。檢驗結果見表3，金相照片見圖2。

表3 XD超級氮化催滲劑氮化試樣的金相檢驗數據

圖2 40Cr、42CrMo鋼(a)和35CrMo鋼(b)的宏觀照片Fig.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鋼氮化層硬度數據圖3 氮化層檢測結果(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

對圖2的金相試樣進行氮化層深度與對應氮化層硬度(HV300g)檢查，結果如圖3所示。

3)氮化層深度0.80 ～1.00 mm或更深

人們自然會想到氮化時間延長到40 h和80 h，會得到什么結果？

a)連續氮化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：從氮化過程一開始就連續向氮化包內通入XD超級氮化催滲劑，按上述程序操作。

b)連續氮化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)。重復上述氮化工藝，就實現了80 h氮化的全過程。

要點：從氮化過程一開始就連續向氮化包內通入XD超級氮化催滲劑，按上述程序操作。

42CrMo鋼氮化40 h和80 h試樣的宏觀照片見圖4，檢驗結果見圖3，氮化層深度見表4，氮化層硬度梯度曲線，結果如圖5所示。

仔細分析這些曲線，我們得到了最好的氮化層。氮化層深度遠遠超過了0.50 mm，甚至100 h以內達到0.80～1.00 mm。這是工業生產能夠接受的。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”。它可以在各行業中采用。

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

氮化時間/h204080氮化層深度/mm0.530.700.85

圖5中的測量點數據

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超級氮化催滲劑氮化的蒸汽輪機閥桿零件照片，這些閥桿零件用C422馬氏體不銹鋼制造，化學成分見表5。閥桿氮化前未經任何預處理直接用汽油清洗后裝爐，氮化過程進行順利，氮化時間被顯著縮短，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。實際圖紙的技術要求為：氮化層深度≥0.30 mm。當前氮化工藝中，如果氮化層深度≥0.30 mm，氮化工藝時間必須≥45 h?，F在，將XD超級氮化催滲劑加到當前氮化工藝過程中，則氮化工藝時間立刻就從45 h縮短為20 h。氮化工藝為：580 ℃×10 h，630 ℃×10 h(總共 20 h)。C422 氮化結果見表6。

表5 C422鋼化學成分(質量分數，%)

圖6 XD超級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 當前氮化工藝與XD超級氮化催滲劑氮化工藝結果的比較

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超級氮化催滲劑與氨氣一起進入氮化包；

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

4) 當溫度上升到400 ℃時，開始通入XD超級氮化催滲劑，維持供應直到氮化過程結束；

5) 停止供給XD超級氮化催滲劑；

6) 當氮化包內緩慢冷卻到 ≦150 ℃，停止氨氣供應；

7) 吊出包內零件，取出試樣，送檢。

試樣的檢驗結果：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，燃氣輪機中有許多重要零件是由它們制造的，而且必須經過氮化處理。運用XD超級氮化催滲劑加入當前氮化工藝中，這是各種技術問題的最好解決方案。

3.3 38CrMoAl應用

在塑料機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，這些零件必須經過氮化處理。而且氮化技術要求也非常高，氮化層深度0.40～0.70 mm；氮化層硬度850～ 900 HV10kg。

在國內有許多廠家大量生產這些零件。為了生產零件，都采用普通氨氣氮化工藝。具體工藝如下：氮化溫度530～560 ℃，氮化時間80 h。氮化結果： 氮化層深度≥0.5 mm，氮化層硬度850～900 HV10kg。

現在，將XD超級氮化催滲劑通入現有的氨氣氮化系統中，氮化溫度530～560 ℃，氮化時間40 h，氮化試樣檢測結果：氮化層深度0.52～0.58 mm，氮化層硬度≧1000 HV10kg。

添加XD超級氮化催滲劑到當前氨氣氮化處理系統中，氮化時間將從80 h縮短到40 h。用XD超級氮化催滲劑的氮化零件見圖8。

圖8 氮化零件Fig.8 Nitriding parts

3.4 氮化層深度0.80 ～ 1.00 mm氮化工藝的運用展望

在機械制造行業中，齒輪是最重要的零件。它們承受最重的載荷，工作條件最惡劣。這些零件多用42CrMo制造。對它們的技術要求也非常高。要求如下：氮化層深度≥0.50 mm，許多工廠氮化時間都必須≥80 h。

前面已經敘述了目前的氮化工藝中，添加XD超級氮化催滲劑到現有的氮化工藝系統中，氮化時間就可以從80 h縮短到30 h以內。

如果氮化時間20 h，氮化層深度0.51 mm；如果氮化時間30 h，氮化層深度≥0.60 mm；如果氮化時間40 h，氮化層深度≥0.70 mm；如果氮化時間80 h，氮化層深度≥ 0.85 mm；如果氮化時間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，遠遠高于氮化層深度≥0.50 mm齒輪。因為齒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的氮化層應當稱作超深氮化層。具有超深氮化層的零件是最好的。

在當前氮化工藝系統中添加XD超級氮化催滲劑是得到最優秀氮化件的唯一正確解決方法。

4 結論

本文展示并推薦XD超級氮化催滲劑及其在工業生產中的實際運用。XD超級氮化催滲劑對當前氨氣氮化過程具有超強催滲效果，不僅能顯著縮短氮化時間，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，本項技術適合于工業生產之中。