工频磁场气体软氮化工艺试验探析

林键

（福建省机械科学研究院，福建 福州 350005）

福建光泽电炉厂承担省科委下达的“工频磁场气体软氮化设备的研制”课题，为配合设备研制工作的需要，提供一台磁场软氮化工艺试验炉，委托笔者单位进行磁场软氮化工艺试验。下文将介绍试验情况，并对试验结果进行分析。

1 实验设备

厂方提供的试验炉结构如图1所示。炉膛尺寸为Φ200 mm×460 mm，其有效空间为Φ200 mm×200 mm（指炉温均匀区），炉膛采用不锈钢1Cr18Ni9Ti钢板制作。炉膛外围装有激磁线圈，它既产生磁场又提供热能；由工频50 Hz电源供电，用调压器调节电流大小。

2 试样材料和工艺参数

试样材料采用经调质处理过的纯铁和38CrMoAl，软氮化工艺主要参数见各试验项目。氨流量为1.5～2 L/min，酒精滴量为20～30 d/min，炉压为0.196～0.392 kPa。

3 磁场强度的选用

据有关资料报道，氮化层硬度和深度随着磁场强度的增高而增大，当H=2.1×103A/m时为最大，而后逐渐减小，直至H增加到4.0×103A/m左右，随后H继续增高，硬度和深度几乎不变，如图2曲线所示。

由于图2曲线是在石英管炉膛中进行的试验所得，而现在的试验炉和今后厂方研制的生产性炉子炉膛均需采用不锈钢制成。不锈钢炉膛在磁场中形成一个闭合回路，必然要起到部分屏蔽作用，但是随着温度升高，屏蔽效果下降。因此炉膛内实际的磁场强度与炉子绕组数据和电流值的理论计算值差别较大。

为了了解磁场软氮化过程中炉膛内的实际磁场强度H的数值，我们采用交流磁通测量法，即将测量线圈中所测得的电压值E代入公式⑴求出交变磁通量，再根据磁场强度与磁通量的关系式1.25×H=φm/5（在空气中），近似计算出磁场强度H。

式中：E—测量线圈中感应电势（伏），V；

f—一般为50 Hz；

W—测量线圈匝数；

S—测量线圈的面积，cm2。

由此实测的电炉内磁场强度H的数值如表1所示。

表1 电炉内磁场强度H的实测数值 单位：A/m

本试验激磁电流选用30 A，因此炉膛温度在常温、460～500 ℃、530～570 ℃的情况下，炉膛内的磁场强度分别为（1.4～1.5）×103A/m、（3.2～3.3）×103A/m和3.7×103A/m。

4 软氮化时间对渗层的影响试验

在570 ℃和520 ℃两种试验温度下，对纯铁和38CrMoAl二种材料分别进行同一温度下不同时间的磁场软氮化和通常的气体软氮化对比试验（其它工艺参数相同）。试验结果如表2（软氮化温度570℃）、图3、图4和表3（软氮化温度为520℃）、图5、图6所示。

4.1 软氮化温度为570℃

两种材料在570 ℃下软氮化2、4 h结果（见表2）和渗层硬度梯度曲线（图3、图4）。

4.2 软氮化温度为520 ℃

表2 570 ℃下不同时间的磁场软氮化和通常气体软氮化对比试验结果

表3 520℃下不同时间的磁场软氮化和通常气体软氮化对比试验结果

两种材料在520 ℃下软氮化4、6 h结果（见表3）和渗层硬度梯度曲线（图5、图6）。

由以上检测结果可以看出：在相同温度下经不同时间的软氮化，两种材料的渗层硬度和渗层深度，磁场软氮化均高于通常的气体软氮化。

5 软氮化温度对渗层的影响试验

对纯铁和38CrMoAl二种材料进行相同时间不同温度下的磁场软氮化和通常气体软氮化比较试验，除温度外其它工艺参数相同。试验结果如表4（软氮化时间为4 h）、图7、图8和表5（软氮化时间为6 h）、图9、图10所示。

5.1 软氮化时间为4 h

两种材料在不同温度下经4h磁场软氮化和通常气体软氮化结果（表4）；两种材料在520 ℃下经4 h磁场软氮化和通常气体软氮化渗层硬度梯度曲线如图7和图8所示。

表4 不同温度下磁场软氮化和通常气体软氮化4 h对比试验结果

5.2 软氮化时间为6 h

两种材料在不同温度下经6 h磁场软氮化和通常气体软氮化结果（表5）；两种材料在480 ℃下经6 h磁场软氮化和通常气体软氮化渗层硬度梯度曲线如图9和图10所示。

38CrMoAl经480℃、10 h磁场软氮化，化合物层厚度为4～5μm，扩散层深度达250μm，硬度梯度曲线如图11所示，显微组织如图12所示。

6 试验结果探析

⑴ 从本试验结果可以看出，无论在相同温度不同时间，还是在相同时间不同温度下的试验，磁场气体软氮化所获得的渗层深度和硬度均明显地高于通常的气体软氮化。

表5 不同温度下磁场软氮化和通常气体软氮化6 h对比试验结果

⑵ 对于38CrMoAl（标准的氮化用钢），磁场软氮化温度降低至480 ℃时，仍然可以获得有效的软氮化效果（在此温度下磁场气体软氮化6 h渗层表面硬度达Hm50 1072，离表面60μm处的硬度达Hm50 723，扩散层深达165μm，当软氮化时间延至10 h，扩散层深度就增加至250μm。）而通常气体软氮化当温度在500 ℃以下时软氮化效果就不明显，没有实用价值。较低的软氮化温度对于形状复杂、要求变形小的工件是很重要的。

⑶ 试验中发现，纯铁软氮化后的冷却速度对扩散层的硬度有明显的影响，快冷（空冷）比慢冷（随炉冷却）的硬度高。从显微组织的观察中看到，缓冷的组织中有大量针条状Fe4N析出，因而硬度较低。38CrMoAl钢就没有这种现象，软氮化的冷却速度对其渗层硬度的影响不明显。

⑷ 38CrMoAl磁场气体软氮化的渗层显微组织质量优良，没有出现导致渗层脆性增大的缺陷组织，显微硬度压痕完整。

7 结论

本试验结果肯定了磁场对软氮化过程有明显的促进作用。在相同条件下，磁场气体软氮化获得的渗层厚度和硬度明显地高于通常气体软氮化，尤其对于氮化钢38CrMoAl磁场气体软氮化温度可以降低至480 ℃，实用意义重大（对3Cr2W8、高速钢等高合金钢也具有同样效果）。

本试验是试探性的初步试验，工艺参数不是最佳，因此所取得的结果也不是最佳的。所以今后在磁场气体氮化机理和最佳工艺参数选择等方面还有大量的工作需要做。