023-86669155
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李志義 1 ，王 納 2 ，校 平 3
（1.重慶義揚(yáng)機(jī)電設(shè)備有限公司，重慶 4200042;2.海翔機(jī)械廠，邯鄲 057150）
摘要：本文主要研究了工件在以通氨氣為主的氣體滲氮過程中產(chǎn)生的氫脆問題，對(duì)其產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，在以通氨氣為主的氣體滲氮過程中，由于氨氣中[O] 、[H] 、[S]等元素的存在，導(dǎo)致滲氮的同時(shí)必然伴隨著滲氧、滲氫、滲硫現(xiàn)象，極易造成工件的內(nèi)氧化及裂紋。同時(shí)，以 1Cr11Ni2W2MoV 氣體滲氮后產(chǎn)生裂紋為例，指出黑色組織的形成因素，并指出使用一般磁化法檢測裂紋的局限性。*后，針對(duì)氣體滲氮中的氫脆問題，給出了解決方案，即應(yīng)對(duì)氨氣進(jìn)行凈化處理，保證滲氮效果的同時(shí)，提高零件的服役壽命，推薦使用我司專利方法（專利號(hào)： ZL2007.10078354.8）。
關(guān)鍵詞：氨氣，滲氮，氫脆，內(nèi)氧化，裂紋，黑色組織，凈化
Hydrogen embrittlement in gas nitriding part
(1.Chongqing YiyangMechanical & Electrical Equipment Co.,Ltd.,Chongqing Sichuan 4200042 China; 2.Haixiang Machinery actory,Handan Hebei 057150 China)
Abstract:In this paper, the hydrogen embrittlement of the workpiece in gas nitriding process which mainly through ammonia is studied,and the mechanism of hydrogen embrittlement is analyzed, due to the existence of elements such as [O], [H]and[S]in the ammonia gas, oxygen, Due to the existence of elements such as[ O ],[H],[s] in ammonia gas, nitriding must be accompanied by oxygen, hydrogen and Sulfur Permeation, which is easy to cause internal oxidation and crack of workpiece. At the same time, taking the crack of 1Cr11Ni2W2MoV after gas nitriding as an example, the forming factors of black structure are pointed out, and the limitation of using general magnetization method to detect the crack is pointed out. Finally, according to the problem of hydrogen embrittlement in gas nitriding, the solution is given, that is, the ammonia should be purified, the nitriding effect will be ensured, and the service life of the parts will be increased. The patent method of ZL2007.10078354.8 is recommended.
Key words: Ammonia, nitriding, hydrogen embrittlement, internal oxidation, cracking, black tissue, purification
滲氮在 40 年代末至 50 年代初就廣泛地應(yīng)用于鋼件的表面化學(xué)熱處理[1] ，能使鋼件表面獲得比較好的耐磨性 的同時(shí)又獲得比較好的防蝕性能，其耐磨性已眾所周知，其防蝕性能比氧化工藝優(yōu)越[2],次于鍍鉻工藝，對(duì)抗脆裂比鍍鉻好。 滲氮就是在相應(yīng)的介質(zhì)中從 500～1200℃加熱時(shí)鋼的表層被氮所飽和[3]。
但是由于滲氮工藝時(shí)間較長，一般 20 多小時(shí)以上[4],加上滲氮工藝溫度一般需在 520℃以上的局限性，因而使其滲氮的性能不能充分發(fā)揮實(shí)際應(yīng)用的作用。
在 60 年代，人們先后研究出在低溫 570℃左右，采用碳、氧、 鈦等元素的催滲方法（這就是所謂碳-滲氮、 氧-滲氮、鈦-滲氮、稀土-滲氮等又稱軟滲氮）、離子催滲方法（離子滲氮）、還有粉未滲氮、高頻滲氮、高壓滲氮、超聲波滲氮、放電滲氮、滲氮與磷化相結(jié)合的加速滲氮。這樣就能在較短的時(shí)間里（通常 3～7 小時(shí)）使 其獲得 0.12～0.50mm 的滲氮滲層[5] 。其層深度與滲氮溫度、滲氮時(shí)間、滲氮后的擴(kuò)散、滲氮的催滲方法、同一催滲方法的化學(xué)配方、滲氮工件的鋼號(hào)、鋼件的表面狀態(tài)有關(guān)。其耐磨性與防蝕性能從現(xiàn)象上講由以下幾個(gè)氮化工件的鋼號(hào)、鋼件的表面狀態(tài)；從本質(zhì)上來講，主要由滲層的組織成份和滲層各組織成份的厚度來決定。
本文著重以通氨為主體的滲氮件中的氫脆問題。
1 滲氮層中相的分布
從 Fe-N 平衡圖[6]（見圖 1、圖 2）可知， 鈍鐵在 560°C 滲氮面隨后空冷時(shí)從心部— 向外共分 11 層如下：
一般將第 7～11 層稱為白亮層（化合層），而將第 2～6 層稱為擴(kuò)散層（過渡層） ，也有文獻(xiàn)[7]將第 6 層γ’+ε納入白亮層，文獻(xiàn)[8]袁祖耀將第 5 層也納入白亮層(γ’為氮馬氏體）。
通常用在耐磨性的高速鋼刀具滲氮時(shí)， 由于基體硬度高一般為 HRC63～66 ，在滲層的組織成份上希望獲得沒有白亮層或很淺薄的、斷續(xù)的白亮層。因而在工藝化學(xué)配方上采用“N ”勢不高的成份，在滲氮后期采取降低N 勢直至零，使鋼件表面氮濃度較高的部份進(jìn)一步向心部擴(kuò)散從而消除或減少白亮層。
作為模具鋼滲氮要求表面有適當(dāng)?shù)臄嗬m(xù)或連續(xù)很薄的白亮層，因而在滲氮處理時(shí)氮濃度稍高。
對(duì)于中碳結(jié)構(gòu)鋼來講， 由于熱處理后的滲氮處理溫度較高，而這類鋼的自身硬度又很低。因此，相對(duì)來講，在防蝕性能很好的這類鋼中， 白亮層的脆性表現(xiàn)并不明顯。
因而提高白亮層的厚度和提高白亮層自身的防蝕性能是提高工件防蝕性能的主要途徑。根據(jù)圖 1，當(dāng)工件某 層 N 含量在 11.07%～11.14%之間時(shí)在空冷下要發(fā)生ε相轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>ε+ξ 、ξ 、ξ+ε三層，即第 8～9 層， 見表 1 。ξ相是比ε相更脆，而且在ε相中存在ξ相， 其因雙相的電化學(xué)作用導(dǎo)致防蝕性能下降。為此滲氮處理后應(yīng)當(dāng)采用快冷來防止ξ相的產(chǎn)生（現(xiàn)我公司研究的一種新型水基淬火介質(zhì)，同一濃度下，在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)冷卻速度快，在馬氏體 轉(zhuǎn)變區(qū)冷卻速度慢，冷卻性能更好，變形小，價(jià)格便宜）。從相圖上來講，當(dāng)含 N 量在 8.25%以下時(shí)的一段區(qū)間里，在 560℃時(shí)為ε相。此時(shí)，若空冷則轉(zhuǎn)變產(chǎn)生γ’+ε;若油冷，ε相就又保留到室溫，從而擴(kuò)大了ε相層厚度。所以我們所有試驗(yàn)的工藝均采用油冷。根據(jù) Fe-C-N 三元相圖[9] ，低溫滲氮溫度采用 550～570℃為*佳溫度，中溫滲氮溫度 900℃左右，高溫滲氮溫度 1050℃以上。高溫固溶滲氮能使零件表面硬度高達(dá) 1400～1500Hv，磨蝕性提高，尤其是局部腐蝕。
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