先進的氮基氣氛熱處理工藝與應用

■金榮植

先進的氮基氣氛熱處理工藝與應用

■金榮植

氮氣是一種中性氣體，取自于大自然，對環境友好，是綠色、環保資源。在化學熱處理中，氮基氣氛是以氮氣為基本成分并加入適量的添加劑（如甲醇等）制備而成（一般在爐內直接生成）的一種可控熱處理氣氛。氮基氣氛具有氣源豐富、節約能源、成本低廉、安全性好、適應性強、污染少等優點。因此，在工業發達的國家得到迅速發展。近年來隨著制氮技術的進步，氮基氣氛熱處理技術已在我國推廣應用，并有取代傳統的吸熱式氣氛（RX）趨勢。

（1）氮基氣氛可用作熱處理保護氣體，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）在現代化學熱處理中廣泛采用氮-甲醇氣氛，與傳統的吸熱式氣氛（RX）成分大致相同，但具有不需要吸熱式氣體發生裝置、污染小、運轉成本低，以及可以減少氫脆和內氧化，不易積炭黑等優點。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

1. 氮基氣氛成分

氮基氣氛是以氮氣為基本成分并加入適量的添加劑制備而成的一種可控熱處理氣氛，其成分如表1所示。在氮基氣氛中，氮氣可占爐內氣氛的40%～97.8%（體積分數）。熱處理工藝對氮基氣氛的要求：

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

（2）在氮基氣氛化學熱處理中，爐內氣氛還應具有一定的碳勢或氮勢。可通過加入添加劑改變爐內氣氛的成分，以適應不同氮基氣氛熱處理工藝的要求。添加劑如碳氫化合物的甲烷、丙烷、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

（1）氮基氣氛滲碳可降低內氧化 在可控氣氛中，氮氣是作為稀釋氣使用，當氣氛中加入一定量的氮氣時，可減少原料氣的消耗，減少炭黑的形成。試驗表明，在滲碳氣氛中通入氮氣，建立碳勢的速度加快，碳勢增高。這是由于經氮氣稀釋后，爐氣的分解率提高，CO和H2O含量降低，碳的活度增大，使反應加速和滲碳速度加快。在氮基滲碳氣氛中，不僅可減少CO2和H2O，而且也可以適當降低CO。由于CO2和H2O可與鋼中的Cr、Mn、Si等元素發生氧化作用，無疑氮基氣氛滲碳可以降低工件的內氧化程度，提高零件的疲勞強度和破斷抗力。

（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總量較高導致碳傳遞系數β值較高，滲碳的反應速度加快。在氮-甲醇氣氛中，爐內分解后的氣體中含體積分數20%CO、40%H2，而吸熱式氣氛爐內氣體在理論上含體積分數23%CO、31%H2。

二、氮基氣氛熱處理工藝的應用

1. 工件的無氧化退火、正火、調質及光亮淬火

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

（2）精密鍛造的汽車零件采用熱、冷精鍛技術加工后，因其機加工余量小，材料利用率高，因此可以大大降低產品的成本，而且由于精鍛件的嚙合部位一般不需進一步加工，因此需要采用保護氣氛（如氮基氣氛）對這些精鍛件進行無氧化等溫正火，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式等溫正火線進行無氧化（等溫）正火，可在加熱爐中通以適量的保護氣如氮氣、氮基氣氛等。所處理的產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。

應用舉例：某石油機械廠采用美國AFC-Holcroft公司生產的可控氣氛密封箱式爐生產螺桿鉆具等井下工具類產品、頂驅裝備零部件。該爐有效加熱區1200mm（長）×900mm（寬）×760mm（高），加熱功率150kW，有效載荷12kN（約1.2t）。該爐使用氮-甲醇氣氛作為載氣，丙烷作富化氣。

原工藝按滲碳要求設定氮氣、甲醇流量分別為：7.0L/h和4.7L/h，爐內碳勢能夠穩定控制在設定值0.8%或1.2%（質量分數）。但在調質時卻達不到工藝要求的0.4%碳勢，丙烷閥不動作，而空氣閥一直處于導通狀態，不斷向爐內通入壓縮空氣，既浪費甲醇，又易造成工件內氧化。對此，通過試驗，工件調質、甲醇流量設定在3.5L/h，爐內氣氛碳勢由甲醇及少量丙烷裂解氣維持，碳勢能穩定控制在0.4%（質量分數），不會造成積炭，消除了空氣大量進入爐內的風險；若甲醇低于3.5L/h，則爐內氣氛碳勢要靠大量通入丙烷來維持，而丙烷裂解反應較慢，會使爐內積炭。氧探頭積炭會影響測量準確度，使測量值明顯高于實際碳勢，空氣閥長時間打開，向爐內通入大量空氣，造成工件內氧化等缺陷，且工件表面積炭影響工件表面硬度，出現軟點。

節能減排效果：調質時甲醇用量比以前降低50%，即由7.0 L/h（原設定值）降至3.5L/h（現設定值）。按年連續開爐200天以上，其中100天以上用于調質處理，可節約甲醇8400L（6.1萬元）以上。而且由于向爐內總通氣量減少，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，利于環保。

2. 在連續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，兼有兩種工藝的優點，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度等優點。

（1）連續式滲碳/碳氮共滲爐氮-甲醇碳氮共滲工藝 在連續式滲碳爐（共4個區）內當爐氣中CO含量達到23%～24%（體積分數）時，滲碳效果較為理想。為此，將各區氮氣與甲醇的比例配置成3∶7，即4個工作區的氮氣流量均為2m3/h，甲醇流量為2.5L/h，按此配比后測得爐內CO含量為21%～23%（體積分數）。由于連續爐爐膛容積為8.6m3，而總的保護氣流量為24m3/h，爐內換氣次數為2.79次/h。連續爐熱處理工藝參數見表2。

3. 在連續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）滲碳設備與氮基氣氛滲碳工藝 采用愛協林STKEs-60/60/75-2×15-950CN型雙排推盤式連續滲碳熱處理生產線，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. 在連續式滲碳緩冷自動線上采用氮基氣氛滲碳工藝進行深層滲碳

齒輪材料2 0 C r N i M o鋼，技術要求：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%（質量分數）。

表2　連續爐熱處理工藝參數

表3　齒輪在連續式滲碳爐上的氮基氣氛滲碳工藝

滲碳設備采用單排連續式滲碳緩冷自動線，主爐為5個區，料盤18個。滲碳時，以純度≥99%（體積分數）的氮氣作為載氣（或保護氣體）、純度≥99.5%（質量分數）的甲醇為稀釋氣、濃度≥99%（質量分數）丙酮為滲碳劑。

（1）工藝參數設定 主爐氮氣總流量15m3/h，甲醇流量8.8L/h，丙酮流量總量1.5L/h。1、2、3、4、5區溫度分別為900℃、920℃、930℃、900℃和860℃。

（2）碳勢設定與滲碳層質量控制

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行臺階式控制。在滲碳初始階段，使爐氣碳勢遠遠超過預定的表層碳濃度，以不出現炭黑為度。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，直到表面碳濃度達到技術要求。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。

其次是滲碳介質與碳勢的關系。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。滲碳介質流量經確認后，一般應保持相對穩定。在自動調節碳勢平衡時，主要是利用少量的壓縮空氣（O2、CO2等脫碳性氣體）來進行調解。應嚴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。碳勢設定與滲碳層質量的關系見表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標準規定；熱處理后齒輪軸節圓及外圓的徑向圓跳動不大于0.05mm。

（1）設備與工藝 使用VKEs4/2密封式箱式多用爐。采用氮-甲醇氣氛作為載氣，即將甲醇通入爐內裂解，與氮氣（純度為體積分數99.5%）混合，其成分（體積分數）為：40%H2+ 40%N2+20%CO。將丙酮通入爐內，經加熱裂解，作為富化氣，調節爐氣的碳勢，氨氣量占爐氣總體積的3%（體積分數）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 用膜制氮機制取氮氣的主要成本為電能，成本約0.5元/m3。與滴注式氣氛相比，甲醇的產氣量為1.66m3/L，甲醇單價為4元/L，產氣1m3的成本為4/1.66=2.41元/m3。即用氮-甲醇氣氛作為載氣，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　碳勢設定與滲碳層質量的關系

（1）采用氮-甲醇氣氛滲碳時碳勢的控制 采用氮-甲醇氣氛滲碳時，讓氮-甲醇氣氛中CO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定起到了尤為重要的作用。而在氮-甲醇氣氛中，CO的百分含量取決于氮氣和甲醇裂解氣各自所占的百分比。一般推薦的最佳氮氣與甲醇分解產物的比例（體積分數）為：40%氮氣+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。但實踐證明，在使用CO參與計算的方法控制碳勢時，應根據設備的具體情況而定。

（2）應用實例 大型井式氣體滲碳爐，采用氮氣-甲醇氣氛，異丙醇作為富化劑，紅外分析儀檢測爐內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，并采用連續按比例調節的方式調節爐內碳勢對提高工件滲層質量有明顯效果。

2. 多用爐氮基氣氛滲碳工藝的設計

制氮機采用NC3652型膜分離制氮機，氮氣純度≥99.5%（體積分數），氮氣流量≥40Nm3/h，氮氣氧含量≤0.5%（體積分數）。滲碳采用UBE-1000型密封箱式多用爐，爐膛容積約0.73m3。工藝設計如下：

（1）介質流量的設計 氮基氣氛滲碳工藝采用氮氣+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氣量計算：

Si基諧振式光學微腔陀螺的核心技術指標為極限靈敏度,其主要取決于微腔結構的質量均勻性、表面粗糙度以及微腔直徑(D)等結構參數。目前Si基微腔結構在微米級時,表面粗糙度能達到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生氣體（CO+ H2）1.66L，即1.66L/mL。

設本工藝每分鐘向爐內滴注甲醇為XmL，則1h內產氣量為：VCO+H2=0.0996X（m3/h）（1）

利用N2和CH3OH制備氮基氣氛，當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）

由于滲碳爐爐內換氣次數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換氣次數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，則所需氮氣量為2.988m3/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）工藝溫度與碳勢設計

①本工藝強滲碳勢設定為1.15%，設計擴散碳勢為0.95%，預冷淬火碳勢設計為0.85%。

②在齒輪裝爐后的升溫階段先設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℃，預冷淬火溫度取840℃。

④設定空氣流量為6～8 L/min，通過碳控儀系統自動調節爐內碳勢，但空氣流量不得設計過高，否則爐內通空氣量太大，齒輪表面易出現內氧化情況，將影響滲碳質量。

（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。

3. 連續式滲碳爐氮基氣氛碳氮共滲工藝的設計

轎車齒輪材料27MC5JV（近似于27CrMnTi鋼）。碳氮共滲采用單排連續式滲碳爐，爐內料盤13個，共有4個區，其中2區和3區送入氮-甲醇氣氛，3區送入富化氣丙烷和氨氣，4區送入調節碳勢的丙烷氣和空氣。

（1）碳氮共滲介質的選擇及流量設定 選用氮氣和甲醇裂解氣為載氣，丙烷為富化氣，另通入體積分數為0.2%～0.6%的氨氣以提供氮原子。

（2）氮-甲醇流量的設定 氮氣-甲醇裂解氣的配比（體積）選擇2∶8（22%氮氣，78%甲醇）。本設備生產時每小時爐內換氣次數為3.1，爐膛體積11m3。

設定氮氣流量為VN2（m3/h），甲醇流量為VCH3OH（L/h），甲醇在爐內裂解方程式

每升甲醇裂解為1.66m3的CO +H2，因此

由上式經計算得出VN2≈7.5 m3/h，VCH3OH≈16L/h。氮氣和甲醇各平分一半同時送到2區和3區。

（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%（體積分數）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定

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

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

4區丙烷設定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）℃。其他相關溫度設定如下：

1區：t1=860℃+20℃；

2區：t2=875℃+10℃；

3區：t3=875℃+10℃；

4區：t4=865℃+10℃；

淬火油槽：t油=160℃+ 10℃。

（6）碳勢的設定 通過各種碳勢下的試驗，將3區和4區碳勢w（C）分別設定為0.75%和0.78%。如果3區和4區碳勢w（C）均設定為0.75%，則4區將通入較多的空氣，工件易產生內氧化，影響產品質量。

表5　22CrMoH鋼齒輪氮基氣氛滲碳工藝參數

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，黑龍江省熱處理學會理事，中國熱處理協會理事。