钢铁工件多元共渗处理在生产中的应用

郑立群

（哈尔滨量具刃具集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 前言

多元共渗是指对金属工件表面同时渗入氮和另外一种或几种元素，渗剂中的物质有的起催渗作用，有的起相互加强作用。

2 氮碳共渗

氮碳共渗是应用早、较为普遍的共渗方法，多称为软氮化或低温氮碳共渗。近年来，这种工艺发展很快，渗剂种类很多，供入方式多样，应用范围广泛。其主要优点是渗速快、渗层脆性小，缺点是渗层较薄，不太适用于重载荷工件。对氮碳共渗原理比较一致的看法是：α-Fe吸收碳迅速达到饱和状态后析出Fe3C，Fe3C又吸收氮形成Fe3（N.C），即ε相，从而加速渗氮过程。碳有扩大ε相区和降低ε相中含氮量的作用，因而碳有益于形成ε相，防止生成脆性相Fe2N，起到加速渗氮和降低ε相脆性的作用。渗氮气氛的碳势较高时，渗层中可生成较多量的Fe3C相，有提高抗滑动磨损性能的作用。氮碳共渗工艺所用的渗剂包括固体、液体和气体。

固体氮碳共渗处理，一般是将工件埋入盛有固体氮碳共渗剂的共渗箱内，密封后放入炉中加热，保温温度为550℃～600℃，共渗剂可重复多次使用，但每次应加入10%～15%的新渗剂。渗剂配方有：①木炭50%～60%，碳酸钠10%～15%，氯化钠3%～7%，黄血盐25%～35%。渗剂特点：活性较持久，适用于共渗层较厚（＞0.3mm）工件。②尿素25%～35%，蛭石片25%～30%，硅砂20%～30%，混合稀土1%～2%，氯化铵3%～7%。渗剂特点：适用于共渗层厚度≤0.2mm的工件。

固体渗剂一般采用尿素，将固体颗粒状尿素以一定速度和方式送入共渗炉内，在共渗温度下发生热分解，产生活性氮、碳原子渗入金属表面。尿素加入量对工件表面硬度、化合物层致密度、渗层深度均有影响，以RJT-35共渗炉（坩埚尺寸：φ450×680mm）为例，共渗温度560℃，保温3h，尿素由600g/h提高到850g/h，渗层深度有相应提高；当加入量超过1000g/h，表面化合物层出现疏松，硬度降低；加入量超过1000g/h，炉压力过高，有未完全分解的灰白色粉末状物质堵塞排气管道影响正常工作；而加入量过少（＜300 g/h），出现炉压力低，废气不易点燃的问题；因此，尿素加入量750g/h～900g/h效果比较好。

液体渗剂通常采用滴注方式，渗剂有甲酰胺、乙酰胺、三乙醇胺、尿素、甲醇、乙醇等，并以不同比例配制。①采用70%甲酰胺+30%尿素（质量分数）作为渗剂，对3Cr2W8V钢压铸模进行共渗处理，参数：580℃×3h，渗层深度0.08mm～0.12mm，渗层硬度752HV～848HV。②采用三乙醇胺与乙醇（比例1:1）混合渗剂直接滴入共渗炉内，对高速钢工件进行氮碳共渗，参数：560℃×3h，渗剂滴入量80滴/分～100滴/分，渗层深度0.06mm～0.09mm，硬度948～1018HV，工件使用寿命提高1.5倍以上。③采用甲酰胺作为渗剂对高速钢刀具（钻头、平面铣刀）进行氮碳共渗，参数：560℃×3h，渗剂滴入量3ml/min～5ml/min，氮碳共渗后直接油冷，渗层深度0.08mm，渗层硬度1050HV左右，刀具使用寿命提高2倍以上。由于甲酰胺热分解温度比三乙醇胺的低，而且每克分子的碳含量也较三乙醇胺的低，所以在共渗温度下分解比较完全，析出碳黑也较少，同时，甲酰胺含氮量比三乙醇胺多2倍，因此用甲酰胺作渗剂时，共渗深度较快，效果明显。

气体渗剂则单独或与氨一起通入炉内，有氨+甲烷，氨+丙烷，氨+一氧化碳，氨+二氧化碳，氨+吸热式气氛(RX)等进行氮碳共渗。吸热式气氛一般由乙醇、丙酮等有机溶剂裂解，或是烃类气体制备而成。

3 氧氮共渗

氧氮共渗处理的渗剂一般采用氨水（含NH3量为25%～28%）；因为氨水中含NH3量较少，又有通入氨气，使气氛中NH3：H2O＝1:1。一般认为：氧有活化工件表面和促进晶界渗透作用，在表面可生成Fe3O4氧化膜，次表面生成铁的氮氧化合物，氧还可降低氢的分压，有减轻氢对氮原子渗入的阻碍作用。经氧氮共渗处理的工件，表面为Fe3O4氧化膜，呈均匀多孔性，带有磁性，易于含润滑油，提高刀具抗咬合性，颜色为蓝黑色；内层为氮化层，组织致密，有较高硬度。我公司生产的φ3～φ12直柄钻头，淬回火后均采用氧氮共渗处理，参数采用：渗剂为含NH3量为：25%～28%的氨水，温度550℃，时间3h，压力100mm～200mmH2O柱高，工艺成熟，质量稳定，共渗处理后切削寿命提高170%以上，抗腐蚀性提高显著。

4 氧、硫、硼、碳、氮共渗及稀土元素在共渗中的应用

在一定条件下对高速钢工件同时渗入氧、硫、硼、碳、氮五种元素，采用渗剂为：①硫脲、硼酸、甲酰胺和乙醇的混合溶液。②乙醇、尿素、硫化物、硼化物和氨水的混合溶液。这种多元共渗在实际中应用结果证明，工件使用寿命比淬、回火的提高2～3倍，比经氧氮共渗处理的提高50%～100%。这种工艺使工件渗层表面形成FeS、Fe3O4、Fe3BO5薄层，可降低摩擦系数，内层为Fe3O4及ε相结构，具有高硬度、高耐磨性和高红硬性特点。稀土在许多领域已获得广泛应用，在多元共渗中稀土元素能够促进渗剂分解，对金属表面活化，以H13钢挤压模具稀土氮碳钒共渗处理为例，渗层组织中氮碳化物尺寸相对细小，分布更加弥散，渗层硬度远高于氮碳共渗和渗氮处理的，从表层到心部的硬度分部状态更为平缓，同时渗层中存在大量VC、VN等合金碳、氮化合物相。

5 结束语

多元共渗在实际生产中有着广泛的应用，实用价值及挖掘潜力很大，而且工艺不复杂，渗剂配方成本较低，操作方便，可以满足不同工件的性能要求，由于稀土元素的应用能够显著提高元素渗入速度，改善渗层组织，提高渗层性能，因此多元共渗的将有良好的前景。

[1]潘邻.表面改性热处理技术与应用[M].北京：机械工业出版社.

[2]郭耕三.高速钢及其热处理[M].北京机械工业出版社.

[3]钢铁热处理编写组.《钢铁热处理》[M]. 上海：上海科学技术出版社.