氨氣比例、進(jìn)氣方式及載氣氮?dú)鈱?duì)薄帶材滲氮試驗(yàn)的影響

陳 軍 肖海明 袁 誠(chéng) 杜濤 付北京

氨氣比例、進(jìn)氣方式及載氣氮?dú)鈱?duì)薄帶材滲氮試驗(yàn)的影響

陳 軍 肖海明 袁 誠(chéng) 杜濤 付北京

研究氨氣比例，進(jìn)氣方式以及載氣氮?dú)鈱?duì)薄帶材滲氮試驗(yàn)的影響，對(duì)不同氨氣進(jìn)氣方式下試樣氮含量分析，結(jié)果表明NH3進(jìn)氣方式對(duì)極薄帶材滲氮影響較大，NH3由上向下噴射比兩側(cè)噴射滲氮處理后試樣氮含量分布更均勻，滲氮效果更好，隨著氨氣比例增加，薄帶材中氮含量增加，兩者之間存在正的函數(shù)關(guān)系，載氣氮?dú)庾鳛榇邼B劑可促進(jìn)滲氮反應(yīng)，最佳的流量為10L/min。

目前，正值鋼鐵行業(yè)“冰凍期”，各大鋼廠都緊緊圍繞“提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本”進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，尤其是后者，已成為工業(yè)研究和發(fā)展的主要?jiǎng)恿ΓР膫鹘y(tǒng)的制造工藝中板坯加熱溫度高達(dá)1350℃，過(guò)高的加熱溫度導(dǎo)致高能耗、高污染、成材率低、板坯表面起皮、磁性不穩(wěn)定等缺陷，如果將加熱溫度降低到1200℃以下，不僅有效避免上述缺點(diǎn)，而且還提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，但是板坯加熱溫度降低，在以后工序中必須輔助滲氮技術(shù)，以形成穩(wěn)定和足夠氮化物抑制劑，來(lái)“調(diào)整”和“控制”結(jié)晶組織，達(dá)到最優(yōu)性能，因此滲氮技術(shù)對(duì)薄帶材研究與開(kāi)發(fā)至關(guān)重要，本文從薄帶材滲氮工藝入手，重點(diǎn)研究NH3進(jìn)氣方式、氨氣比例及載氣N2量對(duì)薄帶材滲氮效果的影響。

試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料

采用大生產(chǎn)的0.27mm厚的冷軋薄帶材，試樣成分見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)用薄帶材鋼的化學(xué)成分（wt％）

試驗(yàn)方法

將薄帶材用沖床剪切成30×300尺寸，然后用工業(yè)酒精進(jìn)行去油處理，最后進(jìn)行脫碳+滲氮熱處理，脫碳工藝要求將試樣含碳量脫至30ppm以下，同時(shí)完成初次在結(jié)晶。

滲氮處理在某廠連續(xù)退火爐中進(jìn)行，滲氮?dú)夥沼蓺錃狻⒌獨(dú)狻睔獍匆欢ū壤M成，氫氣占比22％～28％，氨氣比例由1.5％、5％、10％、15％、20％（體積分?jǐn)?shù)）逐步增加，滲氮溫度、時(shí)間按大生產(chǎn)工藝780℃×1min，試樣分三組，A組試樣采取N2、H2、NH3混合進(jìn)氣方式由兩側(cè)向試樣噴射N(xiāo)H3，B組試樣采取另接NH3管路單獨(dú)進(jìn)氣方式，由均勻分布的氣孔由上向下直接對(duì)試樣表面噴射N(xiāo)H3，C組在B組方式NH3管路上增加一路N2（稱(chēng)為載氣N2），其中C組載氣N2流量由5、10、15、18、20（L/min）逐步增加，每個(gè)工藝做10片試樣，滲氮完后通過(guò)化學(xué)分析測(cè)定試樣氮含量。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

滲氮處理后試樣氮含量分布

每個(gè)試驗(yàn)工藝后的試樣，在檢測(cè)［N］量時(shí)我們分別取對(duì)角線(xiàn)上的“頭”“中”“尾”三點(diǎn)，具體位置如圖1，通過(guò)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，A組試樣頭尾基本無(wú)差異，但相比中部氮含量高出15ppm左右，氮含量分布嚴(yán)重不均，B、C組試樣頭中尾氮含量基本無(wú)差別，分析原因：A組NH3進(jìn)氣方式由兩邊向中部噴射N(xiāo)H3，試樣兩側(cè)邊部NH3相對(duì)中部濃度高，滲氮反應(yīng)短時(shí)間相對(duì)中部劇烈，試樣氮含量大于中部，如果保溫時(shí)間延長(zhǎng)，可通過(guò)氮原子擴(kuò)散縮小氮含量差距，B、C組試樣NH3由上方直接向下噴射，NH3濃度在試樣寬帶方向上一樣的，試驗(yàn)滲氮反應(yīng)寬帶方向上一致，故B、C組試樣頭中尾滲氮量無(wú)差異，氮含量分布較均勻，綜合得：短時(shí)間內(nèi)滲氮NH3由上向下直接噴射試樣表面比NH3由兩邊向中部噴射滲氮后試樣氮含量分布更均勻。

NH3進(jìn)氣方式、NH3比例對(duì)氮含量的影響

圖2為試驗(yàn)鋼在三種不同NH3進(jìn)氣方式下，隨NH3比例逐步增加滲氮處理后所獲得的滲氮量曲線(xiàn)，由圖1可以看出NH3比例在1％-5％范圍內(nèi)時(shí)，三種NH3進(jìn)氣方式短時(shí)間滲氮內(nèi)試樣滲氮效果不明顯，NH3比例大于10％，滲氮效果明顯，大于15％，隨著NH3比例增加滲氮效果顯著增加。

圖1　試樣定氮取樣點(diǎn)分布示意圖

圖2　三種方式下NH3比例與極薄帶滲氮量的關(guān)系曲線(xiàn)

圖3　NH3=15％時(shí)，載氣N2流量與極薄帶滲氮量的關(guān)系曲線(xiàn)

薄帶材滲氮原理是NH3分解為氮原子滲入鋼件表面，通過(guò)吸收擴(kuò)散方式與帶材Als結(jié)合形成穩(wěn)定和足夠氮化物抑制劑，而滲氮反應(yīng)有三個(gè)基本過(guò)程：活性氮原子的產(chǎn)生-活性氮原子的吸收-活性氮原子的擴(kuò)散，因此活性氮原子直接決定的滲氮處理的效果，而表示氣氛提供活性氮原子的能力最直觀和最有效的方法就是氮?jiǎng)荩絩=PNH3/ P1.5H2可以準(zhǔn)確作為NH3氣氛下滲氮能力的度量，該試驗(yàn)方案下氮?jiǎng)葜荡笮≈蝗Q于氣氛的組成（NH3所占比例），NH3比例提高，氮?jiǎng)菰黾樱瑵B氮效果好，而在實(shí)際氮化過(guò)程中，氮?jiǎng)荽嬖谝粋€(gè)“門(mén)檻值”，“門(mén)檻值”是指短時(shí)間內(nèi)實(shí)際氮化過(guò)程滲氮反應(yīng)開(kāi)始劇烈的臨界氮?jiǎng)葜担蓤D1得：5％NH3的爐內(nèi)氮?jiǎng)菘梢钥紤]作為該試驗(yàn)滲氮反應(yīng)的“門(mén)檻值”，NH3比例在1％-5％范圍內(nèi)時(shí)，氮?jiǎng)菪∮凇伴T(mén)檻值”，滲氮反應(yīng)不劇烈，三種NH3進(jìn)氣方式短時(shí)間（1Min）內(nèi)試樣滲氮效果不明顯，NH3比例大于5％時(shí)，A組試樣采取N2、H2、NH3混合進(jìn)氣方式由兩側(cè)向試樣噴射N(xiāo)H3，出氣孔與試樣有一定距離，造成NH3噴射在試樣表面濃度降低，參與滲氮反應(yīng)的有效活性氮原子量少，實(shí)際氮?jiǎng)莶桓撸∮凇伴T(mén)檻值”，NH3比例對(duì)氮含量影響不大，滲氮效果一直不明顯，B、C組NH3直接零距離噴射在試樣表面，隨著NH3比例增加，提高的試樣表面供氮介質(zhì)覆蓋層中的活性氮原子量，增加氮?jiǎng)荩瑵B氮反應(yīng)效果好，試樣滲氮量相比A組明顯增加，C組由于增加一路載氣N2，作為催化劑，對(duì)滲氮反應(yīng)具有較強(qiáng)的催滲作用，使活性氮原子滲入試樣表面顯著加快，因此短時(shí)間內(nèi)滲氮C組滲氮量平均高于B組試驗(yàn)滲氮量。

載氣N2對(duì)氮含量影響

圖3為在C組NH3進(jìn)氣方式下，NH3比例為15％時(shí)，不同載氣N2流量滲氮處理后所獲得滲氮量的曲線(xiàn)。觀察圖2可以看出，載氣N2流量增大，滲氮量增加，直到載氣N2為10L/Min達(dá)到最大值，后隨著載氣N2增加，滲氮量下降，甚至低于B組未加載氣N2滲氮量。

為的縮短滲氮時(shí)間，目前廣泛采用催滲滲氮方法，包括加氮滲氮、加鈦滲氮等，本試驗(yàn)采用加氮滲氮，載氣N2直接通入NH3管路，與NH3混合，作為催化劑，對(duì)滲氮具有較強(qiáng)催滲作用，可縮短滲氮時(shí)間，在NH3比例一定，載氣N2量在較低范圍值時(shí)，增加載氣N2，使NH3分解可逆反應(yīng)向左移動(dòng)，降低NH3分解率，提高氮?jiǎng)荩岣邼B氮量，載氣N2在較高范圍內(nèi)時(shí)，N2稀釋NH3，相當(dāng)于降低NH3比例，稀釋作用大于N2催滲作用，隨著載氣N2增加，氮?jiǎng)莘炊档停?dāng)載氣N2=10L/Min時(shí)候，載氣催滲作用最大，滲氮促進(jìn)效果明顯，滲氮量最大。

試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)達(dá)出以下結(jié)論：1）NH3進(jìn)氣方式對(duì)極薄帶材滲氮影響較大，滲氮時(shí)NH3由上向下噴射比兩側(cè)噴射滲氮處理后試樣氮含量分布更均勻，同時(shí)滲氮效果更好。2）提高NH3比例，可提高爐內(nèi)氮?jiǎng)荩瑵B氮試驗(yàn)中NH3比例與氮含量成正的函數(shù)關(guān)系。 3）載氣N2作為催滲劑，最佳值為10L/Min，促進(jìn)滲氮效果最明顯。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.001