■金榮植

先進(jìn)的氮基氣氛熱處理工藝與應(yīng)用

■金榮植

氮?dú)馐且环N中性氣體，取自于大自然，對環(huán)境友好，是綠色、環(huán)保資源。在化學(xué)熱處理中，氮基氣氛是以氮?dú)鉃榛境煞植⒓尤脒m量的添加劑（如甲醇等）制備而成（一般在爐內(nèi)直接生成）的一種可控?zé)崽幚須夥?。氮基氣氛具有氣源豐富、節(jié)約能源、成本低廉、安全性好、適應(yīng)性強(qiáng)、污染少等優(yōu)點(diǎn)。因此，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家得到迅速發(fā)展。近年來隨著制氮技術(shù)的進(jìn)步，氮基氣氛熱處理技術(shù)已在我國推廣應(yīng)用，并有取代傳統(tǒng)的吸熱式氣氛（RX）趨勢。

（1）氮基氣氛可用作熱處理保護(hù)氣體，防止鋼件的氧化、脫碳，因而可用于光亮淬火、光亮退火等熱處理。

（2）在現(xiàn)代化學(xué)熱處理中廣泛采用氮-甲醇?xì)夥?，與傳統(tǒng)的吸熱式氣氛（RX）成分大致相同，但具有不需要吸熱式氣體發(fā)生裝置、污染小、運(yùn)轉(zhuǎn)成本低，以及可以減少氫脆和內(nèi)氧化，不易積炭黑等優(yōu)點(diǎn)。圖1為滲碳后的齒輪件。

一、氮基氣氛成分及熱處理工藝特點(diǎn)

1. 氮基氣氛成分

氮基氣氛是以氮?dú)鉃榛境煞植⒓尤脒m量的添加劑制備而成的一種可控?zé)崽幚須夥?，其成分如?所示。在氮基氣氛中，氮?dú)饪烧紶t內(nèi)氣氛的40%～97.8%（體積分?jǐn)?shù)）。熱處理工藝對氮基氣氛的要求：

（1）實(shí)用的氮基保護(hù)氣氛應(yīng)含有少量的還原性氣體（CO、H2），以防止微量氧的作用。

（2）在氮基氣氛化學(xué)熱處理中，爐內(nèi)氣氛還應(yīng)具有一定的碳勢或氮勢?？赏ㄟ^加入添加劑改變爐內(nèi)氣氛的成分，以適應(yīng)不同氮基氣氛熱處理工藝的要求。添加劑如碳?xì)浠衔锏募淄椤⒈?、煤油、苯及甲苯等；烴的含氧衍生物的甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、異丙酮等；含氮有機(jī)物的三乙醇胺、甲酰胺等；其他氣體如H2、NH3、CO2、H2O和空氣等。

圖1

表1　國外采用的幾種氮基熱處理氣氛的成分

2. 氮基氣氛工藝特點(diǎn)

（1）氮基氣氛滲碳可降低內(nèi)氧化 在可控氣氛中，氮?dú)馐亲鳛橄♂寶馐褂?，?dāng)氣氛中加入一定量的氮?dú)鈺r，可減少原料氣的消耗，減少炭黑的形成。試驗表明，在滲碳?xì)夥罩型ㄈ氲獨(dú)?，建立碳勢的速度加快，碳勢增高。這是由于經(jīng)氮?dú)庀♂尯螅瑺t氣的分解率提高，CO和H2O含量降低，碳的活度增大，使反應(yīng)加速和滲碳速度加快。在氮基滲碳?xì)夥罩校粌H可減少CO2和H2O，而且也可以適當(dāng)降低CO。由于CO2和H2O可與鋼中的Cr、Mn、Si等元素發(fā)生氧化作用，無疑氮基氣氛滲碳可以降低工件的內(nèi)氧化程度，提高零件的疲勞強(qiáng)度和破斷抗力。

（2）氮基氣氛的滲速快 氮基氣氛滲碳速度比吸熱式氣氛滲碳速度快，這主要是因為爐子中CO+H2總量較高導(dǎo)致碳傳遞系數(shù)β值較高，滲碳的反應(yīng)速度加快。在氮-甲醇?xì)夥罩?，爐內(nèi)分解后的氣體中含體積分?jǐn)?shù)20%CO、40%H2，而吸熱式氣氛爐內(nèi)氣體在理論上含體積分?jǐn)?shù)23%CO、31%H2。

二、氮基氣氛熱處理工藝的應(yīng)用

1. 工件的無氧化退火、正火、調(diào)質(zhì)及光亮淬火

（1）碳素鋼、低中碳合金鋼等工件在氮基保護(hù)氣氛中加熱退火、正火、光亮淬火及調(diào)質(zhì)等，可獲得高的熱處理表面質(zhì)量。

（2）精密鍛造的汽車零件采用熱、冷精鍛技術(shù)加工后，因其機(jī)加工余量小，材料利用率高，因此可以大大降低產(chǎn)品的成本，而且由于精鍛件的嚙合部位一般不需進(jìn)一步加工，因此需要采用保護(hù)氣氛（如氮基氣氛）對這些精鍛件進(jìn)行無氧化等溫正火，及精鍛后的無氧化正火。

（3）對于大批量的精鍛件可采用連續(xù)式等溫正火線進(jìn)行無氧化（等溫）正火，可在加熱爐中通以適量的保護(hù)氣如氮?dú)?、氮基氣氛等。所處理的產(chǎn)品不僅表面少無氧化、光潔，且可獲得均勻的金相組織，滲碳后畸變小，對零件精度的提高十分有利。

應(yīng)用舉例：某石油機(jī)械廠采用美國AFC-Holcroft公司生產(chǎn)的可控氣氛密封箱式爐生產(chǎn)螺桿鉆具等井下工具類產(chǎn)品、頂驅(qū)裝備零部件。該爐有效加熱區(qū)1200mm（長）×900mm（寬）×760mm（高），加熱功率150kW，有效載荷12kN（約1.2t）。該爐使用氮-甲醇?xì)夥兆鳛檩d氣，丙烷作富化氣。

原工藝按滲碳要求設(shè)定氮?dú)?、甲醇流量分別為：7.0L/h和4.7L/h，爐內(nèi)碳勢能夠穩(wěn)定控制在設(shè)定值0.8%或1.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。但在調(diào)質(zhì)時卻達(dá)不到工藝要求的0.4%碳勢，丙烷閥不動作，而空氣閥一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，不斷向爐內(nèi)通入壓縮空氣，既浪費(fèi)甲醇，又易造成工件內(nèi)氧化。對此，通過試驗，工件調(diào)質(zhì)、甲醇流量設(shè)定在3.5L/h，爐內(nèi)氣氛碳勢由甲醇及少量丙烷裂解氣維持，碳勢能穩(wěn)定控制在0.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），不會造成積炭，消除了空氣大量進(jìn)入爐內(nèi)的風(fēng)險；若甲醇低于3.5L/h，則爐內(nèi)氣氛碳勢要靠大量通入丙烷來維持，而丙烷裂解反應(yīng)較慢，會使?fàn)t內(nèi)積炭。氧探頭積炭會影響測量準(zhǔn)確度，使測量值明顯高于實(shí)際碳勢，空氣閥長時間打開，向爐內(nèi)通入大量空氣，造成工件內(nèi)氧化等缺陷，且工件表面積炭影響工件表面硬度，出現(xiàn)軟點(diǎn)。

節(jié)能減排效果：調(diào)質(zhì)時甲醇用量比以前降低50%，即由7.0 L/h（原設(shè)定值）降至3.5L/h（現(xiàn)設(shè)定值）。按年連續(xù)開爐200天以上，其中100天以上用于調(diào)質(zhì)處理，可節(jié)約甲醇8400L（6.1萬元）以上。而且由于向爐內(nèi)總通氣量減少，爐子用以燃燒廢氣的火炬火焰明顯減少，排放廢氣明顯減少，利于環(huán)保。

2. 在連續(xù)式滲碳爐上采用氮基氣氛碳氮共滲工藝

以氮-甲醇為載氣的碳氮共滲工藝是滲碳和滲氮工藝的綜合，兼有兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，它具有保溫溫度低、滲速快、畸變量小，以及工件表面具有更高的耐磨性能和疲勞強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。

（1）連續(xù)式滲碳/碳氮共滲爐氮-甲醇碳氮共滲工藝 在連續(xù)式滲碳爐（共4個區(qū)）內(nèi)當(dāng)爐氣中CO含量達(dá)到23%～24%（體積分?jǐn)?shù)）時，滲碳效果較為理想。為此，將各區(qū)氮?dú)馀c甲醇的比例配置成3∶7，即4個工作區(qū)的氮?dú)饬髁烤鶠?m3/h，甲醇流量為2.5L/h，按此配比后測得爐內(nèi)CO含量為21%～23%（體積分?jǐn)?shù)）。由于連續(xù)爐爐膛容積為8.6m3，而總的保護(hù)氣流量為24m3/h，爐內(nèi)換氣次數(shù)為2.79次/h。連續(xù)爐熱處理工藝參數(shù)見表2。

3. 在連續(xù)式滲碳爐上采用氮基氣氛滲碳工藝

DCT雙離合器變速箱齒輪，最大齒輪φ230mm×30.3mm，材料為20MnCrS5鋼，技術(shù)要求：齒輪滲碳淬火有效硬化層深為0.7～1.0mm，表面硬度與心部分別為80.5～83HRA和≥300HV10；金相組織要求為碳化物≤4級，馬氏體與殘留奧氏體≤5級，鐵素體＜5級，非馬氏體組織≤0.03mm。

（1）滲碳設(shè)備與氮基氣氛滲碳工藝 采用愛協(xié)林STKEs-60/60/75-2×15-950CN型雙排推盤式連續(xù)滲碳熱處理生產(chǎn)線，甲醇與丙酮流量控制精度分別為0.1m3/h和0.1L/h。表3為齒輪在連續(xù)式滲碳爐上的氮基氣氛滲碳工藝。淬火采用等溫分級淬火油，油溫130℃，快攪拌時間8min，快攪拌速度1000r/min。

（2）檢驗結(jié)果 齒輪與齒輪軸滲碳淬火有效硬化層深分別為0.82mm和0.95mm，表面硬度81～83HRA，心部硬度305～410HV10；金相組織為碳化物1級，馬氏體與殘留奧氏體3級，鐵素體1級。

4. 在連續(xù)式滲碳緩冷自動線上采用氮基氣氛滲碳工藝進(jìn)行深層滲碳

齒輪材料2 0 C r N i M o鋼，技術(shù)要求：滲碳層深度2.0～2.5 m m，表面硬度5 8～6 3 H R C，表面碳濃度0.85%～1.05%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

表2　連續(xù)爐熱處理工藝參數(shù)

表3　齒輪在連續(xù)式滲碳爐上的氮基氣氛滲碳工藝

滲碳設(shè)備采用單排連續(xù)式滲碳緩冷自動線，主爐為5個區(qū)，料盤18個。滲碳時，以純度≥99%（體積分?jǐn)?shù)）的氮?dú)庾鳛檩d氣（或保護(hù)氣體）、純度≥99.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的甲醇為稀釋氣、濃度≥99%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）丙酮為滲碳劑。

（1）工藝參數(shù)設(shè)定 主爐氮?dú)饪偭髁?5m3/h，甲醇流量8.8L/h，丙酮流量總量1.5L/h。1、2、3、4、5區(qū)溫度分別為900℃、920℃、930℃、900℃和860℃。

（2）碳勢設(shè)定與滲碳層質(zhì)量控制

首先是碳勢的合理選擇與控制。最佳的滲碳工藝方法是在整個滲碳過程中對爐氣的碳勢進(jìn)行臺階式控制。在滲碳初始階段，使?fàn)t氣碳勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)定的表層碳濃度，以不出現(xiàn)炭黑為度。隨著滲碳過程的深入，在以后幾個階段，逐漸降低爐氣的碳勢，直到表面碳濃度達(dá)到技術(shù)要求。變碳勢滲碳的意義不僅在于提高表面碳濃度梯度［w（C）%/0.1mm］，而且在于改善滲層的碳濃度分布。

其次是滲碳介質(zhì)與碳勢的關(guān)系。對于滴注式可控氣氛滲碳，爐氣的碳勢主要取決于滲碳劑的流量。滲碳介質(zhì)流量經(jīng)確認(rèn)后，一般應(yīng)保持相對穩(wěn)定。在自動調(diào)節(jié)碳勢平衡時，主要是利用少量的壓縮空氣（O2、CO2等脫碳性氣體）來進(jìn)行調(diào)解。應(yīng)嚴(yán)格控制空氣流量的上限，否則會造成碳勢波動，最終影響滲碳效果。碳勢設(shè)定與滲碳層質(zhì)量的關(guān)系見表4。

5. 在多用爐上采用氮基氣氛碳氮共滲工藝

微型汽車轉(zhuǎn)向器小齒輪軸，直徑14～18m m不等，長度235mm，材料為20CrMnMo鋼，熱處理技術(shù)要求：滲碳層深度0.3～0.6mm，表面與心部硬度分別為（82±2）HRA和27～40HRC，滲碳層金相組織要求符合EQB6—1973標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；熱處理后齒輪軸節(jié)圓及外圓的徑向圓跳動不大于0.05mm。

（1）設(shè)備與工藝 使用VKEs4/2密封式箱式多用爐。采用氮-甲醇?xì)夥兆鳛檩d氣，即將甲醇通入爐內(nèi)裂解，與氮?dú)猓兌葹轶w積分?jǐn)?shù)99.5%）混合，其成分（體積分?jǐn)?shù)）為：40%H2+ 40%N2+20%CO。將丙酮通入爐內(nèi)，經(jīng)加熱裂解，作為富化氣，調(diào)節(jié)爐氣的碳勢，氨氣量占爐氣總體積的3%（體積分?jǐn)?shù)）左右。齒輪軸氮基氣氛碳氮共滲工藝曲線如圖2所示。

（3）成本 用膜制氮機(jī)制取氮?dú)獾闹饕杀緸殡娔?，成本約0.5元/m3。與滴注式氣氛相比，甲醇的產(chǎn)氣量為1.66m3/L，甲醇單價為4元/L，產(chǎn)氣1m3的成本為4/1.66=2.41元/m3。即用氮-甲醇?xì)夥兆鳛檩d氣，可明顯降低工件的熱處理成本。

三、典型氮基氣氛熱處理工藝的設(shè)計

1. 氮基氣氛滲碳工藝碳勢的控制

圖2　齒輪軸氮基氣氛碳氮共滲工藝曲線

表4　碳勢設(shè)定與滲碳層質(zhì)量的關(guān)系

（1）采用氮-甲醇?xì)夥諠B碳時碳勢的控制 采用氮-甲醇?xì)夥諠B碳時，讓氮-甲醇?xì)夥罩蠧O的來參與碳勢計算（使用氧探頭或L-探頭控制碳勢，CO參與計算），從而達(dá)到碳勢控制的最佳效果，因此氣氛中的CO百分含量對碳勢的穩(wěn)定起到了尤為重要的作用。而在氮-甲醇?xì)夥罩校珻O的百分含量取決于氮?dú)夂图状剂呀鈿飧髯运嫉陌俜直?。一般推薦的最佳氮?dú)馀c甲醇分解產(chǎn)物的比例（體積分?jǐn)?shù)）為：40%氮?dú)?60%甲醇裂解氣。這種氣氛組成和吸熱式氣氛RX的組成基本一樣。但實(shí)踐證明，在使用CO參與計算的方法控制碳勢時，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的具體情況而定。

（2）應(yīng)用實(shí)例 大型井式氣體滲碳爐，采用氮?dú)?甲醇?xì)夥眨惐甲鳛楦换瘎?，紅外分析儀檢測爐內(nèi)CO百分含量，L—探頭控制碳勢，通過試驗（CO參與或不參與計算），其結(jié)果為，CO參與計算時，碳勢波動和偏差均較小。同時，采用爐蓋熱電偶主控溫度，并采用連續(xù)按比例調(diào)節(jié)的方式調(diào)節(jié)爐內(nèi)碳勢對提高工件滲層質(zhì)量有明顯效果。

2. 多用爐氮基氣氛滲碳工藝的設(shè)計

制氮機(jī)采用NC3652型膜分離制氮機(jī)，氮?dú)饧兌取?9.5%（體積分?jǐn)?shù)），氮?dú)饬髁俊?0Nm3/h，氮?dú)庋鹾俊?.5%（體積分?jǐn)?shù)）。滲碳采用UBE-1000型密封箱式多用爐，爐膛容積約0.73m3。工藝設(shè)計如下：

（1）介質(zhì)流量的設(shè)計 氮基氣氛滲碳工藝采用氮?dú)?甲醇裂解氣氛作為載體氣，丙烷氣作為滲碳富化氣。

甲醇在高溫下裂解后產(chǎn)氣量計算：

Si基諧振式光學(xué)微腔陀螺的核心技術(shù)指標(biāo)為極限靈敏度,其主要取決于微腔結(jié)構(gòu)的質(zhì)量均勻性、表面粗糙度以及微腔直徑(D)等結(jié)構(gòu)參數(shù)。目前Si基微腔結(jié)構(gòu)在微米級時,表面粗糙度能達(dá)到1 nm以下,已接近材料表面粗糙度的極限,Q值到107左右[8-9],此時,微腔陀螺的極限靈敏度就主要取決于微腔直徑D值[10]。

CH3OH—→CO+2H2已知1mL的CH3OH在高溫下完全分解可產(chǎn)生氣體（CO+ H2）1.66L，即1.66L/mL。

設(shè)本工藝每分鐘向爐內(nèi)滴注甲醇為XmL，則1h內(nèi)產(chǎn)氣量為：VCO+H2=0.0996X（m3/h）（1）

利用N2和CH3OH制備氮基氣氛，當(dāng)N2∶CH3OH=40∶60時，氣氛中的C O∶H2∶N2= 20∶40∶40，這種比例（體積比）近似于用天然氣為原料制備的吸熱式氣氛的組成比例。因此，在本工藝下可設(shè)1h需要N2為VN2，VCO+H2∶VN2=60∶40，則：

VN2=0.0996X×40/60（m3/h）（2）

由于滲碳爐爐內(nèi)換氣次數(shù)n換氣=每小時載體氣流量V/爐膛容積V爐。本爐型及工藝的爐內(nèi)換氣次數(shù)n換氣=9～13，V爐= 0.73m3，則每小時載體氣的流量V=V爐×n換氣=7.0～1 0.5（m3/h），同時

將式（1）、式（2）代入式（3），則X=42.2～63.3mL/min，X取2500m L/h，即VCH3OH= 2500m L/h，則所需氮?dú)饬繛?.988m3/h，VN2取3m3/h。

一般情況下，滲碳富化氣丙烷加入量占總配氣量的1%～5%（體積比），則丙烷氣加入量VC3H8=（VCO+H2+VN2）×（1%～5%）=1.3～6.3L/min。根據(jù)齒輪裝爐密度，并考慮其滲碳速度，丙烷氣流量為其平均值4L/min。

（2）工藝溫度與碳勢設(shè)計

①本工藝強(qiáng)滲碳勢設(shè)定為1.15%，設(shè)計擴(kuò)散碳勢為0.95%，預(yù)冷淬火碳勢設(shè)計為0.85%。

②在齒輪裝爐后的升溫階段先設(shè)定一個較低碳勢和溫度如0.80%和溫度860℃。

③滲碳階段溫度為920℃，預(yù)冷淬火溫度取840℃。

④設(shè)定空氣流量為6～8 L/min，通過碳控儀系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)爐內(nèi)碳勢，但空氣流量不得設(shè)計過高，否則爐內(nèi)通空氣量太大，齒輪表面易出現(xiàn)內(nèi)氧化情況，將影響滲碳質(zhì)量。

（3）氮基氣氛滲碳工藝 表5為22CrMoH鋼齒輪氮基氣氛滲碳工藝參數(shù)。

3. 連續(xù)式滲碳爐氮基氣氛碳氮共滲工藝的設(shè)計

轎車齒輪材料27MC5JV（近似于27CrMnTi鋼）。碳氮共滲采用單排連續(xù)式滲碳爐，爐內(nèi)料盤13個，共有4個區(qū)，其中2區(qū)和3區(qū)送入氮-甲醇?xì)夥眨?區(qū)送入富化氣丙烷和氨氣，4區(qū)送入調(diào)節(jié)碳勢的丙烷氣和空氣。

（1）碳氮共滲介質(zhì)的選擇及流量設(shè)定 選用氮?dú)夂图状剂呀鈿鉃檩d氣，丙烷為富化氣，另通入體積分?jǐn)?shù)為0.2%～0.6%的氨氣以提供氮原子。

（2）氮-甲醇流量的設(shè)定 氮?dú)?甲醇裂解氣的配比（體積）選擇2∶8（22%氮?dú)猓?8%甲醇）。本設(shè)備生產(chǎn)時每小時爐內(nèi)換氣次數(shù)為3.1，爐膛體積11m3。

設(shè)定氮?dú)饬髁繛閂N2（m3/h），甲醇流量為VCH3OH（L/h），甲醇在爐內(nèi)裂解方程式

每升甲醇裂解為1.66m3的CO +H2，因此

由上式經(jīng)計算得出VN2≈7.5 m3/h，VCH3OH≈16L/h。氮?dú)夂图状几髌椒忠话胪瑫r送到2區(qū)和3區(qū)。

（3）氨氣流量的選擇 選擇氨氣流量占通入氣體總量（11m3×3.1次/h=34m3/h）的比例大約在0.2%～0.6%（體積分?jǐn)?shù)）之間。此次選擇0.32%，其氨氣流量為VNH3=34m3/h ×0.32%≈0.1m3/h。

（4）丙烷和空氣流量的設(shè)定

3區(qū)大流量丙烷=1%×通入氣體總流量=1%×34m3/h≈0.35 m3/h

3區(qū)小流量丙烷=0.6%×通入氣體總流量=0.6%×34 m3/h≈0.2m3/h

4區(qū)丙烷設(shè)定0～0.15m3/h，空氣0～0.15m3/h

（5）碳氮共滲及淬火溫度的選擇 選擇碳氮共滲溫度為t≈A3+5 0℃，對于27MC5JV（27CrMnTi）鋼，其 A3≈820℃，取共滲溫度為（875±10）℃。其他相關(guān)溫度設(shè)定如下：

1區(qū)：t1=860℃+20℃；

2區(qū)：t2=875℃+10℃；

3區(qū)：t3=875℃+10℃；

4區(qū)：t4=865℃+10℃；

淬火油槽：t油=160℃+ 10℃。

（6）碳勢的設(shè)定 通過各種碳勢下的試驗，將3區(qū)和4區(qū)碳勢w（C）分別設(shè)定為0.75%和0.78%。如果3區(qū)和4區(qū)碳勢w（C）均設(shè)定為0.75%，則4區(qū)將通入較多的空氣，工件易產(chǎn)生內(nèi)氧化，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

表5　22CrMoH鋼齒輪氮基氣氛滲碳工藝參數(shù)

金榮植，高級工程師，哈爾濱匯隆汽車箱橋有限公司副總工程師，黑龍江省熱處理學(xué)會理事，中國熱處理協(xié)會理事。