材料領域的未來之星

王殿華

世界上什么物質最硬?你一定會說：“當然是金剛石”。這樣的回答在以前也許是對的，不過，現在情況已經發生了變化，上海交通大學的計算物理學家通過計算發現：一種在自然界和實驗室中只以少量微小顆粒形式存在的物質，其硬度是金剛石的1.5倍，這種物質名為纖鋅礦氮化硼，是氮化物的一種。

或許你對氧化物、氯化物、硫化物等很熟悉，但你了解氮化物嗎?沒準兒它們才是材料領域的未來希望之星。

特殊的氯化物

氮化物是氮與其他元素形成的二元化合物，包括金屬氮化物、非金屬氮化物和氨(習慣上將氨作為一種特殊物質，不列入氮化物中)。金屬氮化物指金屬元素與氮形成的化合物。其中多數不溶于水，熱穩定性高，可用作高溫絕緣材料，像氮化鈦、氮化鉭、氮化釩等。少數遇水完全水解生成金屬元素氫氧化物并放出氨，如氮化鎂、氮化鋁等。

很多金屬型氮化物和非金屬氮化物都具有高硬度、高熔點、高化學穩定性及耐磨、耐腐蝕等特點，在國民經濟中具有廣泛的用途。其中一些氮化物的硬度已接近甚至超過了金剛石，如立方氮化硼和纖鋅礦氮化硼。而金剛石因為其碳結構在高溫環境下具有不穩定性，很容易與氧產生化學反應，與鐵也很容易化合，所以無法廣泛應用于諸多工業領域，于是人們把目光投向了默默無聞的氮化物。

同氧化物不同，多數氮化物并不存在于自然界，而是人工合成的產物。例如氮化鋁(A1N)就是一種類似金剛石的氮化物，于1877年被首次合成出來，可耐2200℃高溫，且強度隨溫度的升高下降較慢，導熱性好，熱膨脹系數小，是良好的耐熱沖擊材料。氮化鋁抗熔融金屬侵蝕的能力非常強，是熔鑄純鐵、鋁或鋁合金理想的坩堝材料。氮化鋁還是電的絕緣體，介電性能良好，用作電器元件也很有希望。它具有較高的傳熱能力，被大量應用于微電子元件。此外，氮化鋁還被應用于光電工程，包括在光學儲存介面及電子基質作誘電層，在高的導熱性下作晶片載體，以及用作軍事用途等。

再比如氮化錳，作為氮和錳的合金添加劑，主要用于生產特殊合金鋼、高強度鋼、不銹鋼、耐熱鋼等產品，尤其在輸送石油和天然氣的大口徑鋼管以及造船和汽車用高強度鋼等方面，展現了良好的市場前景。氮能提高鋼的強度和塑性，擴大奧氏體區(奧氏體是在大于727℃高溫下才能穩定存在的結構組織，有著特殊的物理性質)，細化晶粒，改善加工性能。氮化金屬錳能代替部分鎳從而降低成本，其特點是主元素含量高，磷等危害性雜質含量低，加入熔體后氮的利用率高。

目前，很多金屬氮化物已形成系列產品，包括氮化金屬錳、釩氮合金(氮碳化釩，v(cN))、鈦及鉻的氮碳化物(Ti(cN)、cr(cN))、氮化鈦等、氮化鎵，氮化銦等。其中氮化銦具有的納米結構，是研制相關量子器件的基礎材料。

還有一些重要的非金屬氮化物，如氮化硼(BN)、五氮化三磷(P3N5)、四氮化三硅(si3N4)等，他們的熱穩定性也比較高，各具特性。氮化硅，尤其是熱壓氮化硅，是世界上最堅硬的物質之一。它極耐高溫，強度一直可以維持到1200℃的高溫而不下降，受熱后不會熔成融體，一直到1900℃才會分解，并有驚人的耐化學腐蝕性能，能耐幾乎所有的無機酸和30％以下的燒堿溶液，也能耐很多有機酸的腐蝕；同時又是一種高性能電絕緣材料。前面提到的立方氮化硼是優良潤滑劑：六方氮化硼因其硬度大，可用來制作車刀、鉆頭等。氮化硅、氮化硼、氮化硅等還可用于生產高性能陶瓷。

雖然纖鋅礦氮化硼這種材料在實驗環境下還很難做出大塊的結構，但人們可將顆粒狀的耐高溫氮化物超硬材料涂在導彈、坦克、鉆地炸彈甚至防彈衣上，將來老百姓甚至可以用上不用磨的菜刀。

讓材料更耐磨

發動機是工農業生產中的主要動力機械之一，在船舶、汽車、飛機、工程建筑機械等各方面獲得了廣泛的應用。

隨著工業的發展，人們對發動機的要求也越來越高，發動機的工作條件有時非常惡劣，這常會引起機件的損傷和失效，從而影響發動機的可靠運行。

為提高發動機的抗疲勞強度，人們想了各種辦法，氮化技術就是其中很有效的方法之一。

氮化技術又被稱為擴散滲氮，是向鋼的表面層滲入氮原子的過程，分為氣體氮化技術、液體氮化技術、離子氮化技術等。

表面氮化是工業中一種廣泛應用的材料表面處理技術，在氮化過程中材料或部件的表面可以形成一層硬質氮化物以提高表面的耐磨性、耐蝕性等。對鋼鐵表面進行氮化處理時往往需要在高溫下(高于500℃)進行，處理時間較長(長達數十小時)，不僅耗能，更重要的是許多材料和工件在如此高溫下長時間退火后會喪失其基體性能或出現變形，因此表面氮化技術的應用受到很大限制。

為此，大幅度降低氮化溫度是長期以來表面氮化技術應用中所必須解決的重要技術“瓶頸”。中科院金屬研究所的專家利用金屬材料表面納米化技術在表面氮化應用上獲重要進展，此技術不但可以大幅度提高塊體材料的表面性能(如表面強硬度、耐磨性、抗疲勞性能等)，而且表面層的納米組織可以顯著提高其化學反應活性，使表面化學處理溫度下降，從而使表面氮化技術的適用面(材料和工件種類)大大拓寬。

不同的氮化技術

氣體滲氮在1923年左右由德國人首度研究發展并加以工業化。由于經氣體滲氮處理的制品具有優異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫，其應用范圍逐漸擴大。例如鉆頭、擠壓模、壓鑄模、鍛壓機用鍛造模、螺桿、連桿、曲軸、吸氣及排氣活門及齒輪凸輪等均使用該技術。抗疲勞強度最高的材料之一即為通過氮化處理的高強度閥彈簧用鋼。

一些金屬氮化物可由金屬加熱后直接與氮化合而成，還有些是由金屬、金屬氧化物或金屬氯化物在氨氣流中加熱制得。

耐磨及耐疲勞的汽車零件，以及縫衣機、照相機等的氣缸套處理，氣門閥處理。活塞筒處理及不易變形的模具處，可以采用液體軟氮化技術處理。常用的對象材料為鐵金屬，氮化后的表面硬度以含有鋁、鉻、鉬、鈦元素者硬度較高。該項技術經常為西歐各國、美國、俄羅斯、日本和我國臺灣地區所采用。

離子氮化技術是將一工件放置于氮化爐內，預先將爐內抽成真空后導入氮氣或氫氮混合氣體，調整爐內壓力，將爐體接上陽極，工件接上陰極，兩極間通以數百伏的直流電壓，此時爐內的氨氣發生光輝放電成正離子，向工作表面移動，在瞬間令陰極電壓急劇下降，使正離子以高速沖向陰極表面，并將工件表面的鐵、碳、氧等元素打出來與氮離子結合成氮化鐵(FeN)，氮化鐵逐漸被吸附在工件上最終實現氮化作用。離子氮化作為20世紀70年代興起的一種新型滲氮方法，與氣體滲氮相比具有滲氮速度快、滲氮層組織易于控制、脆性小、無環境污染、節約電能、工件變形小等優點。離子滲氮這種強化金屬表面的化學熱處理方法，廣泛適用于生產鑄鐵、碳鋼、合金鋼、不銹鋼及鈦合金等。

合金鋼中的鋁、鉻、釩及鉬元素對滲氮很有幫助。這些元素在滲氮過程中，與初生態的氮原予接觸時，會生成穩定的氮化物。尤其是鋁元素，不僅作為生成氮化物的元素，而且可以降低在滲氮時所發生的脆性。一般而言，如果鋼材中含有一種或多種的氮化物生成元素，氮化后的效果比較良好。其中鋁是最強的氮化物元素，合金中含有0.85％～1.5％鋁的滲氮結果最佳。

由于氮化技術對提高材料表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗蝕、抗咬合和黏結能力有很大作用，汽車工業中已有不少零件采用氮化方法處理。