国内外氮化工艺新进展（节选）

在气体渗氮过程中加入一种稀土催渗剂能够活化工件表面，加快氮原子吸收速度，不但缩短渗氮周期，还能够在工件表面形成细小弥散的氮化物，改善了渗氮后组织、质量，其中脆性级别、氮化物级别和疏松级别都可控制到1级，并提高表面硬度(比常规工艺提高30—100HV左右)，对于一般结构钢渗层要求0．3mm时采用常规渗氮工艺保温时间要30小时以上，但如果加入稀土催渗剂后，保温时间仅用14小时，缩短时间53％，节电40％，省氮气35％以上，同时少排放废气35％，整个渗氮周期缩短32.7％(该技术已申报国家专利，专利申请号：200810063968．3)

 

2、盐浴氮化及QPQ复合处理

最早的盐浴氮化称为低温氰化，温度一般为520-560℃，常用的液体氰化盐浴通常用中性盐氯化钠、氯化钡、氯化钾、碳酸钠等，常用的氰化物盐有******和******等，并仅适用于高速钢工具。并且还有称作液体硫氮共渗的盐浴氮化，配方为氯化钡30％，氯化钠20％，氯化钙50％，另加5—10％(中性盐总重量)，成粉末状的硫化亚铁，其盐浴内含硫量不低于0.2％，再通入一定量的氨气(NH3)，促使盐浴翻动；工艺参数为：温度540-560℃，时间90—120分钟。

而国外则提出了盐浴氮碳共渗的方法，它包括：①软氮化；②Tenifer法；③(英)：Tufftriding；④新Tenifer法；⑤(英)：Melonizing；⑥Sulfinuz法；⑦Sur—Sulf法。

国外的盐浴碳氮共渗在含氰化物和氰酸盐的熔盐中进行，熔盐中氰酸盐的热分解以及其他化学反应产生有扩散能力的氮，置于熔盐中的铁质零件表面和在气体渗氮时一样，起催化剂的作用。

起初把熔盐放在铁坩埚中处理零件。这个方法应用广泛，称为软氮化，但是目前在技术上已经没有意义了，因为渗氮作用低，其结果在质量上不能令人满意。

把空气导入熔盐以及使熔盐中的氰酸盐达到足够高的含量：40—50％，可以获得显著的改进。此外，目前用钛坩埚或用钛铠装的坩埚代替铁坩埚，以便获得最佳的渗氮效果(Tenifer，Tufftriding)。

因为在操作时熔盐要消耗，必须注意重新加入富氰化物的盐以利再生。为此必须将用过的熔盐排出。因为这些废料的氰化物含量还相当高，必须仔细消毒。新研究出来的新Tenifer法(Tenifer—neu，Melonizing)是一种经济得多的方法，在这种方法中通过重新加入再生剂可以使熔盐再生，无需排出废料。由于改变了旧Tenifer(Tenifer—alt)法的熔盐成分，这种熔盐中，无害的氰酸盐含量高，而氰化物含量很低(1—3％)。

在Sulfinuz法中，熔盐中还添加一种供硫的成分，它使化合物层富硫。Sulfinuz法的继续发展是Sur—Sulf法，因为它的氰化物含量较低，公害更小。

处理时间视应用情况而定，在几分钟至4h之间，温度最好在570—580℃之间。

中国的QPQ盐浴复合处理技术，是“九五”期间国家级重点推广项目。QPQ一词来源于英文Quench-Polish-Quench一词的字头缩写，原意为淬火(快冷)一抛光一淬火(快冷)，后来有些专家学者把不加抛光工序的盐浴复合处理和增加了抛光工序的QPQ技术结合起来，统称为QPQ盐浴复合处理技术。

QPQ盐浴复合处理技术有以下特点：

 (1)良好的耐磨性，耐疲劳性能

大量生产应用及试验证明，该技术可以提高工模具寿命2倍以上。严格的滚动和滑动磨损试验说明，45钢、40Cr钢经QPQ盐浴复合处理后其耐磨性比高频淬火高15倍以上；

比20钢渗碳淬火高10倍以上；比镀硬铬和离子渗氮高2倍以上。

调质的45钢经QPQ盐浴复合处理以后疲劳强度提高40％。

 (2)极好的抗蚀性

45钢经QPQ盐浴复合处理以后在大气和盐雾试验中的抗蚀性比发黑高70倍以上：比镀硬铬高16倍以上；甚至比1Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢还高几倍。

 (3)极小的变形

QPQ盐浴复合处理以后工件的尺寸和形状几乎无变化。在最佳工艺状态下，工件尺寸的胀缩量仅仅为0.005mm。工件形状的变化也极小，例如可以成功地使(508mm×457mm×l.5mm)2Crl3不锈钢薄板处理后平面度保证在0.5mm以下。因此该技术可以用来解决常规热处理方法无法解决的硬化变形难题。

 (4)大幅度节能

与常规热处理技术相比，该技术处理温度低，保温时间短，可以大幅度节能。与渗碳淬火相比，可以节能50％以上。

 (5)无公害

该技术在大量生产条件下，经各地环保部门在生产现场实地检测，各项环保指标均低于国家环保排放标准允许值。迪高沙公司曾因这项技术获德国环保奖。

QPQ盐浴复合处理技术的“复合”一词说明它不是一种单一的技术。“复合”的概念首先体现在它是渗氮(氮碳共渗)和氧化工序的复合：在性能上它是高耐磨性与高抗蚀性的复合；在工艺上它是热处理技术与防腐技术的复合。

QPQ盐浴复合处理的基本工艺过程和主要工序有：

预热：350～440℃    20～40min

氮化：520～580℃    10～180min

氧化：350～400℃    15～20min

工艺过程为：装卡一去油清洗一预热一氮化一氧化一去盐清洗一干燥一浸油。

QPQ盐浴复合处理技术的生产用盐分三种：

基盐：基盐在氮化炉内融化后形成高氰酸根(CNO—)的氮化盐浴。基盐除了第一次开始生产时熔化装满氮化炉以外，在正常生产中盐浴消耗及浴面下降时，也应加入基盐，用以升高浴面。

调整盐(再生盐)：在生产过程中当氮化盐浴的氰酸根下降时，应定期向氮化炉加调整盐，以使盐浴中的氰酸根含量上升到规定的指标范围之内。

氧化盐(ABl盐)：氧化盐在开始生产初期加入到氧化炉中熔化以后即可使用。当大量生产盐浴面下降较多时，也可继续加入氧化盐以升高盐浴面。

3.英国BODYCOTE集团公司和预抽真空气体软氮化处理

鲍迪克(宁波)热处理有限公司是总部在英国的鲍迪克国际PLC(www．bodycote．com)的子公司。是从事热处理加工和检测的世界第一品牌。鲍迪克宁波公司现擅长于渗碳氮化热处理，已有客户300多家，所承接的热处理产品主要有汽车万向节、汽车变速箱齿轮、电机轴、电动工具零件、气动工具零件、缝纫机零件、注塑机零件、液压阀芯、转子及五金产品等零件及模具热处理等等。

鲍迪克(无锡)技术有限公司是长江三角洲地区，提供综合性热处理加工服务，高质量热处理加工服务的公司，坐落于无锡新区，于2005年注册，厂房占地10000平方米，分为真空热处理和气氛热处理两部分，鲍迪克集团公司在30多个国家拥有300多个工厂，无锡工厂为鲍迪克热加工集团在亚洲地区的第一个工厂，主要服务工业领域为汽车与航空工业。

鲍迪克集团无锡工厂的卧式预抽真空气体软氮化炉在世界上也属于领先的设备，该设备克服了传统井式气体氮化炉的各种缺点，不但可以降低成本，且炉子的均匀性、稳定性、可控性和可调性都特别好，因此加工出的产品能够很好的达到汽车、航空工业高精技术标准要求，并且一炉多用，氮化后还可以进行发黑处理。

4、法国HEF公司及舍舍夫(SURSULF)盐浴表面渗氮处理技术

4.1舍舍夫(SURSULF)过程是HEF公司的开发的一种先进表面处理，它证明比其他渗氮工艺具有如下优越性：

 (1)无公害：整个过程几乎无污染，舍舍夫(SURSULF)炉中的氰根浓度低于0.8％，多数情况下，就像在Perkins，氰根浓度在0.4—0.5％，在这世界上目前最低的。而其他相应过程，氰根浓度在2—5％。

因此，舍舍夫(SURSULF)过程在世界上被认为Environmental Friendly

Process”Or“Environmental Acceptable

process”(“与环境友好的过程”或“环境可接受的过程”)

 (2)高性能：与其他表面方法相比，使工件有更高的耐疲劳强度、耐磨性、表面硬度和耐腐蚀性，以及更低的表面摩擦系数。比其他渗氮表面处理，具有更好的工件表面外观质量，其中原因之一是采用了连续自动滤渣、除渣系统。使得盐浴炉始终保持高度的纯净。工件表面化合层厚度和结构可根据K2S的量进行调节，以满足不同场合的要求，如解决磨损、点蚀和疲劳的问题，或解决咬合、粘着和拉伤问题。具有极好的性能价格比。

 (3)高效率：由于在盐浴炉中加入了锂(Li)等元素，使渗氮的潜力大幅度提高，在达到相同化合物厚度和扩散层厚度的条件下，其处理时间要大大减少，一般处理时间在30分钟至120分钟，化合层厚度可达10-30μm。

 (4)高精度：与气体渗氮相比，工件变形极小，可以满足高精度要求的零部件要求。

 (5)适应性强：可处理各种黑色金属(钢、铁、铸铁、烧结铁等)及形状复杂的构件。

 (6)使用方便：操作和维护都十分方便，炉子的清洁平均只要每周一次。

4.2处理步骤：

 (1)去脂：在四氯乙烯或三氯乙烯蒸汽中进行脱脂，或浸入去污溶液中

 (2)预热：这个步骤并非绝对需要的。但是如果生产量大，先行预热的话，则减少因处理物投入舍舍夫(SURSULF)盐浴时温度之下降，减少加热时间。因此而减少恢复到正确温度所需之时间。预热可以在瓦斯或电器加热之气体炉实施，但是预热温度不可超过380℃或400℃．如果超过440℃，处理物表面会生成很薄的氧化膜，此氧化物会弄脏舍舍夫(SURSULF)盐浴，可能形成细粉粒附着与处理物表面，当实施预热时，其预热时间依处理物重量及舍舍夫(SURSULF)之条件而定。但通常在30分钟至1小时之间。

 (3)舍舍夫(SURSULF)处理：工件放入舍舍夫(SURSULF)盐浴炉中，一般处理时间从15分钟至2个小时或3小时。

 (4)冷却：

·当变形要求不是很高时，用冷水冷却

·空气冷却，可避免变形

·油中冷却，可避免变形

 (5)清洗：在80℃左右的热水中进行，而后，进行其他工序，抛光、涂油等。

4.3舍舍夫(SURSULF)盐浴炉的特征

采用标准的盐炉，能采用天然气加热，但最好用电加热，以保证炉温均匀。为确保安全和避免炉温过高，对盐浴炉内胆及加热室进行温控。炉胆采用含16—18％Cr(AISl430)钢，这比钛合金材料要便宜得多。用低碳钢代替也是可行的。炉胆内装有导气管。经合理设计，气体导入到炉内，并且，炉子装有手动和自动去渣装置。

4.4操作维护

舍舍夫(SURSULF)工作操作十分简便，关键要保持炉内的CNO—浓度，而该浓度通过添加一定量CR2再生盐来保证。

一般要求，在盐浴炉中氰酸根和碳酸根的浓度为：

 (CN0-)37％±2

 (C03—2)18％±2

炉子的清洁一般由自动和手动两种，后种平均一周内进行—次。

4.5舍舍夫(SURSULF)工艺技术与其他热处理工艺技术的比较

与气体碳氮工艺NITEMPER或其他同类气体渗氮处理，如INDURE，TOUG—HNITE，BELL…进行对比：

气体氮碳工艺通常是在加30％的氨气的吸热气氛中进行，温度在570℃，这些气体渗氮：

·处理时间需要4至8小时

·适用于所有钢制零件

·导致处理零件的变形

舍舍夫(SURSULF)工艺技术则具有：

·由于盐的化学成份，能处理所有的钢和铸铁件(不同于NITEMPER，由于游离石墨已被溶解在盐炉中，不会对化合层造成污染)。

·舍舍夫(SURSULF)工艺形成ε相化合层，因而不脆(它具有良好的表面抗疲劳强度)，比γ’＋ε

混合相的化合层具有更好的抗磨性和耐腐蚀性能。

·处理时间短，

·采用舍舍夫(SURSULF)的生产率高，并且投资少和不要求熟练操作工。

4.6与离子渗氮的比较

离子渗氮是在所有其他渗氮处理中唯一能在零件表面形成

·或100％ε相，化合层+扩散层

·或ε+γ’相，化合层+扩散层

·或100％γ’相，化合层+扩散层

·只有扩散层，而无化合层

从理论上讲，离子渗氮非常令人感兴趣，因为通过选取处理参数(离子体活动，温度)，就可能取得所需的化合层，但是实际上，遇到很多问题：

·难以处理体积较大的零件，这是由于为得到辉光放电(离子体)和避免弧光须保证最短问题。

·难以对形状尺寸差异大的零件放在一起混合处理

·难以处理形状复杂的零件

·不可能处理带小孔/小直径的零件

·几乎不可能很好地处理铸铁件

·处理周期(抽空、加热、处理、冷却)，要4-20小时

·处理的成本高(并且投资成本也大)

4.7舍舍夫(SURSULF)工艺技术与气体渗氮(这里指硬渗氮)的比较

气体渗氮要求采用含铝和铬的特殊钢(通常叫“氮化钢”，象AFNOF 40L

AD612)已得到表面淬硬。这些材料比通常用作软氮碳共渗<如舍舍夫(SURSULF)工艺>的普通钢价格贵，处理时间很长，一般在560—570℃的温度下要60至100小时。

气体渗氮能有效解决特殊的磨损摩擦问题，以及疲劳问题，这是由于经100小时的处理氮能扩散到1.5mm深处。但是，气体渗氮：

·不能增加表面的摩擦层(有时甚至避免形成这层表面耐磨层，且因为它特别脆)

·不适用处理低合金钢和普通钢(为了得到足够的硬度，气体渗氮要求具有铁(Fe)，铬(Cr)和铝(A1)的混合物，这需钢中要具一定比例的铬(Cr)和铝(A1))

·和所有气体介质热处理一样，这使得处理后磨削加工成为必要(就像渗碳处理那样)

4.8舍舍夫(SURSULF)工艺技术却可以：

·处理所有钢质零件，包括各种铸铁，当然其中有氮化钢。

·表面耐磨层：由ε氮化铁组成，无脆性。这层具有很好的摩擦性及抗磨耐腐蚀性。

氮的扩散层深取决于各种钢材，一般在0.5到0.8mm

·较短的处理时间：30分钟至90分钟。

·无变形：舍舍夫(SURSULF)工艺已经取代气体渗氮而用于处理很多的零件：如曲轴，螺栓(喷塑)，轴承…

·操作使用成本低

4.9阿可(ARCOR)表面处理技术

阿可表面处理是在舍舍夫工艺的基础上进行的进一步的表面处理，目的是在保持经舍舍夫处理后的零件的耐磨性、高疲劳强度的基础上提高工件的耐腐蚀性。经阿可工艺技术处理的零件具有很高耐腐蚀能力，一般可经受700小时以上的喷盐水试验而不锈蚀。可以替代镀铬、镀镍、镀镉、镀锌，特别是镀铬有很大的环保问题，而阿可工艺是一项无污染的技术。并且镀各种金属只是在零件上包一层，而阿可是渗入到零件的基体，故永不退色和剥落。

（1）特点

化合层：处理后形成复合层(致密层和泡沫层)，由ε氮化物与Fe、C、N化合物构成，其厚度取决于基体的成分。对某种类型的阿可(ARCOR)处理，最表层也存在Fe3O4与Fe、0、N化合物。

扩散层：表层之下便是一层较深的氮扩散层，其硬度和厚度取决于

·基体的合金成分：

·扩散过程的时间和温度。

环保性：应用阿可（ARCOR）用以不存在污染问题

（2）经阿可(ARCOR)工艺处理工件的性能

抗腐蚀性：由钝化与最终处理相结合而获得的抗腐蚀性显著于常规的抗蚀镀层(铬，镍，锌…)。简单工件可经受700h以上的喷盐水试验而不腐蚀，对于经焊接或卷曲的部件也可容易地达到400小时。抗磨性／咬合性：600—800HV的化合层硬度可有效地克服磨损问题。浸渗和表面终处理可大大降低摩擦系数。

抗疲劳性：显著而重要的疲劳强度的提高归功于在氮扩散区域产生的残余压应力。

重要提示：经阿可(ARCOR)处理可消除氢脆的危险一一一个用其他镀层方法容易遇到的主要问题。

表1 舍舍夫（SURSULF）处理凸轮轴/摇臂磨损试验

凸轮轴：合金铸铁+H.F.淬火—摇臂：镶嵌Z200C12（Cr12）钢

速度：1500&300RPM—解除载荷：递增—油：标准油（15W40）

 

 表2舍舍夫（SURSULF）处理后获得的不同牌号材料化合物层厚度、硬度及扩散层厚度