氮化、軟氮化與滲碳熱處理和高頻淬火處理都是對鋼件表面進(jìn)行處理，使部件表面具有高的疲勞強(qiáng)度、良好的耐磨耗性和耐蝕性等高附加值性能的表面處理技術(shù)。氮化、軟氮化對汽車、工程機(jī)械和各種機(jī)械的發(fā)展進(jìn)步起了很大作用。

1 氮化處理的現(xiàn)狀和分析

日本的氮化、軟氮化加工的市場份額約為120億日元，占熱處理總加工市場的1%左右。從2013年開始到未受新冠肺炎影響的2018年的5年間，日本的氮化、軟氮化加工的市場份額約增加33%，獲得了很大發(fā)展。氮化、軟氮化處理量約占熱處理總重量的5%，氮化、軟氮化加工金額約占熱處理總金額的11%。氮化、軟氮化的平均單價（加工金額/加工重量）很高，僅次于真空熱處理，所以是附加值很高的表面硬化熱處理技術(shù)。

氮化、軟氮化的處理溫度在Fe-N系的A 1 點（592℃）以下。所以，與900-980℃進(jìn)行淬火的滲碳處理相比，氮化、軟氮化不僅具有熱處理變形小的優(yōu)點，而且節(jié)能，并且由于處理氣氛是NH 3 +N 2 +H 2 ，所以基本上沒有CO 2 排放。即使使用城市煤氣和LP氣燃燒加熱的氮化、軟氮化處理，其CO 2 排放量也在傳統(tǒng)滲碳處理CO 2 排放量的1/3以下。表1是氮化、軟氮化熱處理與滲碳、滲碳氮化、高頻淬火熱處理的主要項目比較。

氮化、軟氮化在表面硬度高和熱處理變形小方面具有優(yōu)勢，但在硬化層深度方面不如滲碳、滲碳氮化和高頻淬火。采用處理氣氛優(yōu)化控制和使溫度和N勢分級變化的多級化氮化、軟氮化處理，并與近年來開發(fā)出的氮化用鋼相結(jié)合，進(jìn)行表面組織控制，可使氮化、軟氮化材料性能有很大提高。

為了實現(xiàn)日本2050年的碳中和目標(biāo)，氮化、軟氮化處理技術(shù)與真空（減壓）技術(shù)將會作為新一代熱處理技術(shù)得到很大發(fā)展，在新一代汽車和產(chǎn)業(yè)機(jī)械發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

2 氮化、軟氮化的種類和發(fā)展歷史

（1）氣體氮化、軟氮化處理技術(shù)的種類和發(fā)展歷史

1906年將H 2 與N 2 合成NH3的Haber-Bosch法開發(fā)后，1931年Haber-Bosch法用于德國的NH 3 的工業(yè)化生產(chǎn)。1923年，德國的蒂森克虜伯公司冶金技術(shù)工作者Fry利用NH 3 對鋼進(jìn)行處理是最早的氮化處理。該氮化處理的原理是，NH 3 在約500℃時發(fā)生分解和離解。分解前的NH 3 分子吸附在鋼表面，在鋼的觸媒作用下，發(fā)生離解成為N 2 分子前，N原子侵入到鋼中，發(fā)生2NH 3 →2N+3H 2 反應(yīng)，使N侵入并擴(kuò)散到添加Al、Cr的鋼中。此后，對利用氣體進(jìn)行軟氮化的方法進(jìn)行了研究，開發(fā)出使用吸熱反應(yīng)型變性氣體（RX：N 2 、CO、H 2 構(gòu)成的氣體）與NH 3 氣體的混合氣體的氣體軟氮化法（1962年）和使用放熱反應(yīng)型變性氣體（NX：N 2 及少量的CO、H 2 構(gòu)成的氣體）與NH 3 氣體的混合氣體的氣體軟氮化法（1969年）。這些方法在日本得到大量應(yīng)用。此外，還有1953年法國開發(fā)的滲硫氮化法。該方法是在處理氣氛中添加H2S氣體，使S滲透到鋼中，利用S的優(yōu)良潤滑作用降低摩擦系數(shù)，提高鋼的耐磨耗性和抗熱粘結(jié)性的氮化、軟氮化表面處理方法。1974年，日產(chǎn)汽車公司的宮田伏見等人開發(fā)出叫作NN法的氧氮化法。

該方法是在處理氣氛中添加5-8vol%的空氣或氧氣，利用4NH 3 +3O 2 →4N+6H 2 O反應(yīng)，使氮化加速的快速氮化、軟氮化法。該方法使奧氏體不銹鋼和耐熱鋼的氮化、軟氮化處理成為可能。1979年英國LUCAS公司發(fā)表了新開發(fā)的復(fù)合處理的氮化、軟氮化法NITROTEC。該方法利用NH 3 與RX混合氣體對工件進(jìn)行氣體軟氮化處理后，利用空氣氧化生成的Fe 3 O 4 多孔層（ε相表層上形成的空孔）將工件覆蓋。后面所述的QPQ法是對工件進(jìn)行軟氮化處理和研磨后，進(jìn)行鹽浴氧化的復(fù)合處理的氧氮化方法，目前正在廣泛應(yīng)用。不銹鋼、耐熱鋼、高合金工具鋼等軟氮化材料在氮化處理時，除了進(jìn)行酸洗等預(yù)處理外，使用氯化物化合物、鹵素氣體、碳?xì)浠衔餁怏w等表面活化劑。1990年代，日本公司開發(fā)的NV氮化法，利用含鹵素的處理氣氛，將工件表面的鈍化膜置換為鹵化膜，使工件可進(jìn)行低溫氮化處理。這種特殊的活性化氮化法已被應(yīng)用。1985年開發(fā)了只進(jìn)行氮擴(kuò)散的氮化法，該方法不生成韌性不良的氮化合物層（由ζ-Fe 2 N、ε-Fe 2 -3N、γ'-Fe4N相構(gòu)成），防止了處理工件表面粗度和韌性不良，并且具有熱處理尺寸變形很小的優(yōu)點。此外，利用NH自由基的等離子氮化法（自由基氮化法），也是不生成化合物層的氮化方法。

（2）氮化處理氣氛控制

歐洲從1970年代開始對氣體氮化、氣體軟氮化處理的氣氛進(jìn)行基礎(chǔ)性研究。1990年代后期，以歐洲為中心，利用高精度的H 2 傳感器和O 2 傳感器（氣體軟氮化處理）對氮勢KN = （NH 3 分壓）/（H 2 分壓）3/2atm-1/2進(jìn)行控制的氣氛控制氮化技術(shù)有了很大發(fā)展。日本在2000年以后逐漸關(guān)注氣氛控制氮化技術(shù)?，F(xiàn)在，日本已經(jīng)可以利用氮勢KN-溫度T曲線圖（純鐵的氮勢KN-溫度T曲線圖叫作Lehrer圖）對化合物層、多孔層、氮擴(kuò)散層構(gòu)成的氮化組織進(jìn)行高精度控制。并且，將氮化組織高精度控制技術(shù)用于要求高尺寸精度和高彎曲精度的電動機(jī)曲軸、汽車和工程機(jī)械的大口徑或薄型部件，不僅保證了部件表面的最佳化合物層和最宜硬度分布，而且減少了NH 3 氣體的用量。

（3）鹽浴軟氮化

1929年，Kinzel等人最早發(fā)表了利用氰化物熔鹽的優(yōu)良的液體氮化法。此后，在1940年代，德國的Degussa公司開始進(jìn)行鹽浴軟氮化的基礎(chǔ)性研究。1955年Muller開發(fā)出TUFFTRIDE氮化法，并推進(jìn)了工業(yè)化應(yīng)用。1970年，除了開發(fā)出使用氰鹽原料的導(dǎo)入空氣的TUFFTRIDE氮化法，還開發(fā)出廣為人知的TENIFER氮化法。由于了解到，氮化中起重要作用的不是氰化物離子，而是被空氣中的O 2 氧化的氰酸離子，所以，1980年以后，使用氰酸鹽和碳酸鹽組成的熔鹽的新TUFFTRIDE氮化法得到應(yīng)用。初期的TUFFTRIDE氮化法于1963年導(dǎo)入日本，開發(fā)出ISONITE氮化法。2001年后，H.E.F集團(tuán)公司開發(fā)出稱為新型CLIN處理的系列化ARCOR氮化法。這些鹽浴軟氮化法使被處理的工件具有良好的耐疲勞強(qiáng)度、耐磨耗性、抗熱粘結(jié)性、以及包括耐電蝕性、抗熔損性等的耐蝕性和具有獨特的黑色外觀的裝飾性，因此被廣泛用于各種部件和模具。

本文節(jié)選自

《世界金屬導(dǎo)報》14期 B13