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氮基氣氛熱處理應(yīng)用研究

文檔作者：王廣生文檔來源：北京航空材料研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年03月01日
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氮基氣氛熱處理應(yīng)用研究
北京航空材料研究院　　王廣生
[摘要] 闡述了氮基氣氛保護(hù)淬火和可控滲碳熱處理工藝研究結(jié)果, 對氮基氣氛熱處理中兩個關(guān)
鍵技術(shù)問題——?dú)浯嗪图訜釡囟壬舷捱M(jìn)行了全面研究, 因此, 推動了氮基氣氛熱處理廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞: 氮基氣氛　熱處理　氫脆　加熱溫度上限
[A b st ract ] Th is paper dealsw ith som e exper im en tal resu lt s of heat t reatm en t p rocess in n it ro2
gen based p ro tect ive atmo sphere and con t ro lled carbu r izat ion p rocess in n it rogen based atmo sphere.
Two key p rob lem s of bath hydrogen em b r it t lem en t andm ax im um upper lim it of soak temperatu re in
n it rogen based atmo sphere heat t reatm en t have been invest igated w h ich p romo tes a w ide app licat ion
of n it rogen based atmo sphere heat t reatm en t.
Keywords: N it rogen based atmo sphere Heat t reatm en t Hydrogen em b r it t lem en t U pper
lim it of soak temperatu re
　　氮基氣氛用于保護(hù)熱處理, 可以達(dá)到少氧化、無
氧化脫碳和光亮熱處理。氮基氣氛化學(xué)熱處理可以
提高化學(xué)熱處理質(zhì)量, 減少熱處理缺陷。此外, 氮基
氣氛熱處理還具有節(jié)約能源、氣源豐富、成本低廉、
安全性好、適應(yīng)性強(qiáng)、污染少等優(yōu)點(diǎn)。70 年代美國可
控氣氛熱處理已占70% 左右, 當(dāng)時主要還是吸熱式
或放熱式氣氛。1983 年以來美國軍標(biāo)和波音、麥道等
公司的熱處理標(biāo)準(zhǔn)也都明確列入了氮基氣氛。
在我國, 氮基氣氛熱處理開始于70 年代后期。
氮基氣氛適合于分散生產(chǎn)的熱處理情況, 靈活方便、
安全性好, 所以氮基氣氛熱處理在我國得到了迅速
發(fā)展。十多年來, 氮基氣氛已成功用于退火和淬火保
護(hù), 滲碳和滲氮業(yè)化學(xué)熱處理, 以及熱處理冷卻等。
目前氮基氣氛熱處理已占10% 以上。
為了適應(yīng)氮基氣氛熱處理迅速發(fā)展的形勢, 關(guān)
于氮基氣氛熱處理方面的研究也很活躍, 主要研究
內(nèi)容包括制氮技術(shù)、適合不同材料、不同用途的氮基
氣氛熱處理工藝, 以及氮基氣氛熱處理氫脆及溫度
上限等基礎(chǔ)理論性問題。
1 高強(qiáng)度鋼氮基氣氛保護(hù)淬
火工藝研究
　　試驗(yàn)采用普通滲碳爐改造的
氮基氣氛井式多用途爐, 既可以
用于氮基氣氛保護(hù)淬火, 也可用
于氮基氣氛可控滲碳。采用自行
研制的MCC2103 型微機(jī)氣氛溫度
控制儀進(jìn)行碳勢和溫度控制, 氧探
頭為氣氛傳感器。氣源采用NCSP
10ö5 95 型碳分子篩制氮機(jī), 氮?dú)?
　
純度99. 5%以上, 富化劑乙醇。
1. 爐氣成分和碳勢控制
典型的爐氣成分如表1 所示。當(dāng)爐氣進(jìn)入穩(wěn)定
狀態(tài)后, 爐氣中主要是氮?dú)? H2 占6%左右, CO 占4.
5%左右, CH4 占1%左右。
　　為了適應(yīng)不同鋼種, 選擇合適的氧勢控制參數(shù),
研究了爐氣碳勢與氧勢的關(guān)系, 試驗(yàn)用定碳試片稱
重法測定碳勢, 典型試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。
航空熱處理對氧化脫碳有嚴(yán)格要求,“航空熱處
理質(zhì)量控制”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定脫碳層≤0. 075mm , 為了滿足
上述要求, 研究確定了高強(qiáng)度鋼氮基氣氛保護(hù)淬火
的氧勢控制值, 如表2 所示。
　　　　　　　表1　爐氣分析結(jié)果　　　(% )
氮?dú)饬髁?
m3öh
氧電勢到達(dá)設(shè)定值后保溫時間, m in
0 30 60
H2 CH2 CO N 2 H2 CH2 CO N 2 H2 CH2 CO N 2
0. 9
1. 2
1. 5
21
17. 0
13. 5
2. 1
2. 1
2. 0
10. 3
9. 1
8. 6
66. 4
72. 1
76. 2
6. 7
6. 5
6. 2
0. 9
0. 9
1. 1
4. 8
4. 2
4. 8
86. 9
87. 9
87. 6
6. 9
6. 3
5. 8
0. 8
0. 9
1. 0
4. 5
4. 8
4. 5
87. 6
88. 4
88. 5
　　圖1　920℃時E 值與碳勢對應(yīng)關(guān)系
表2　主要航空高強(qiáng)度鋼氧勢控制值
鋼　號
淬火溫
度, ℃
氧勢值,mV
　30CrM nSiN i2A
　30CrSiMoV
　40CrM nSiMoVA
　
40CrN i2Si2MoVA
　4140
　60Si2M nA
　ZG22CrM nMo
　ZG35CrM nSi
900
900
920
870
845
860
900
890
1130～ 1140
1130～ 1140
1135～ 1145
1000～ 1020
1130～ 1140
1165～ 1175
1000～ 1020
1120～ 1140
航空制造工程 — 11 —
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
　　2. 氮基氣氛
保護(hù)熱處理的性
能
選擇適合的
控制氧勢, 對幾種
航空高強(qiáng)度鋼進(jìn)
行氮基氣氛保護(hù)
淬火并回火, 在不
進(jìn)行試樣表面再
機(jī)械加工情況下
測試性能。試驗(yàn)結(jié)
果(表3) 表明, 基
本力學(xué)性能達(dá)到
了技術(shù)條件要求,
斷裂韌性和周期
強(qiáng)度等性能也與
空氣爐熱處理后
加工的試樣相當(dāng),
可以滿足使用要
求, 已成功用于飛
機(jī)剎車片和高強(qiáng)
度鑄鋼件熱處理
生產(chǎn)。
表3　可控氮基氣氛保護(hù)熱處理力學(xué)性能
鋼　號熱處理工藝
R
b
M Pa
D
5
W
%
ak
kJöm 2 HRC K IC
MNöm 3ö2
N f
k= 0. 6
R = 0. 1
次
40CrM nSi
MoVA
920℃×1h 加熱, 190℃×1h
等溫淬火, 260℃×4h 回火1901 11. 7 41. 8 686 70. 4 921
技術(shù)要求1765～ 1961 ≥8. 0 ≥35. 0 ≥588
920℃×1h 加熱, 300℃×1h
等溫淬火, 260℃×4h 回火1775 13. 1 48. 7 978 64. 3 2208
技術(shù)要求1716～ 1912 ≥8. 0 ≥35. 0 ≥588
30CrM nSi
N i2A
900℃×1h 加熱, 油淬,
270℃×3h 回火1744 12. 1 52. 1 722 78. 8 2084
技術(shù)要求1596～ 1765 ≥8. 0 ≥35. 0 ≥490
900℃×1h 加熱, 200℃×1h
等溫淬火,
270℃×3h 回火
1665 12. 8 52. 7 887 83. 3 2786
技術(shù)要求1596～ 1765 ≥8. 0 ≥35. 0 ≥588
40CrSi
MoVA
900℃×1h 加熱, 油淬,
400℃×1. 5h 回火1542 8. 9 31. 6 309 42. 5～
44. 5
技術(shù)要求40～ 45
4140 (美)
845℃×40m in 油淬,
525℃×70m in 回火
38. 2～
40. 5
技術(shù)要求36～ 40
60Si2M n
870℃×40m in 油淬,
400℃×1h 回火
52. 3～
54. 8
技術(shù)要求≥52
2 氮基氣氛可控滲碳研究
　　1. 三參數(shù)可控滲碳
試驗(yàn)在改裝的氮基氣氛多用途爐上進(jìn)行, 滲碳
溫度925℃, 滲劑為甲醇+ 苯, 用MCC2103C 型微機(jī)
氣氛溫度儀實(shí)現(xiàn)E2T 2CO 三參數(shù)碳勢控制和溫度控
制。試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。
表4　氮基氣氛可控滲碳試驗(yàn)結(jié)果
爐號H2 N 2 CO CH4 E (mV ) 計算碳勢實(shí)測碳勢
1 23. 26 40. 14 23. 37 0. 10 1139 1. 0 0. 63 0. 63
2 23. 26 40. 10 23. 36 0. 10 1146 1. 1 0. 70 0. 71
3 23. 26 40. 90 23. 37 0. 10 1153 1. 2 0. 75 0. 79
4 23. 26 40. 5 23. 10 0. 15 1159 1. 3 0. 81 0. 82
5 22. 46 40. 14 21. 40 0. 19 1163 1. 4 0. 86 0. 86
6 22. 70 41. 20 22. 00 0. 27 1170 1. 5 0. 92 0. 91
7 23. 26 42. 72 21. 94 0. 29 1176 1. 6 0. 96 0. 95
　　試驗(yàn)結(jié)果表明, 氮基氣氛滲碳時, CO 波動較小,
CH4 含量較少, 通過以氧勢為主的E2T 2CO 三參數(shù)
碳勢控制可以獲得穩(wěn)定的滲碳質(zhì)量。碳勢控制偏差
小于0. 035%碳。
經(jīng)過分析證實(shí), 實(shí)測碳勢與計算碳勢近似呈直
線關(guān)系, 線性回歸方程為:
C實(shí)= 0. 15036C計+ 0. 50714
圖2　剝層結(jié)果與仿真計算結(jié)果的對比
　　2. 滲碳過程仿真控制
下位機(jī)采用MCC2103C 型微機(jī)氣氛溫度控制
儀, 實(shí)現(xiàn)E2T 2CO 三參數(shù)碳勢控制, 上位機(jī)為486 微
機(jī), 兩者采用串行異步通訊, 實(shí)行碳濃度三點(diǎn)動態(tài)控
制。
— 12 — 1997 年第 3 期
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
表5　氫脆試驗(yàn)結(jié)果
熱處理工藝
氫含量緩慢拉伸延遲破壞
ppm R
bH ,M Pa I′H
①, % R
b, M Pa D
5, % W, % IH
②, % S
t, h
原材料
油淬
油淬+ 260℃回火
225℃等溫淬火
225℃等溫淬火+ 260℃回火
300℃等溫淬火
300℃等溫淬火+ 260℃回火
2. 40
1. 80
0. 86
1. 75
1. 10
1. 30
0. 85
1447
2584
2465
2382
2275
2265
44. 0
0
0
0
0
0
1953
1843
5. 9
11. 6
7. 5
44. 9
83. 2
0
≤3m in
> 200 (合格)
≤4h
> 200 (合格)
　　注: ① I′H 為缺口試樣緩慢拉伸氫脆敏感性, I′H= (R′bH- R
bH )öR′bH×100% ,
　　　　其中R′bH為回火后正常拉伸的強(qiáng)度。
　　　?、?IH 為光滑試樣緩慢拉伸氫脆敏感性, IH= (W
0- W)öW
0×100% ,
　　　　其中W
0 為回火后正常的斷面收縮率。
　　氮基氣氛仿真滲碳試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示, 可見
實(shí)際碳濃度分布與設(shè)定碳濃度分布吻合較好。
3 氮基氣氛熱處理氫脆問題研究
　　氮基氣氛中含有一定量氫, 對超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行
氮基氣氛保護(hù)淬火是否會產(chǎn)生氫脆, 是氮基氣氛熱
處理的基本理論問題。
試驗(yàn)選用40CrM nSiMoVA 航空超高強(qiáng)度鋼, 采
用測氫含量、緩慢拉伸、延遲破壞、斷口分析等氫脆
研究方法, 試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明, 氮基氣氛保護(hù)淬火時, 爐氣中氫
含量占6. 0%左右, 對鋼件不會產(chǎn)生增氫, 淬火試樣
中氫含量有所下降。油淬和225℃等溫淬火后未回火
情況下, 緩慢拉伸性能降低, 延遲破壞試驗(yàn)的保持時
間只有3m in 和4h, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于200h 的合格標(biāo)準(zhǔn), 有氫
脆現(xiàn)象; 而回火之后, 氫脆現(xiàn)象消失。對于300℃等溫
淬火, 即使未經(jīng)回火也沒有氫脆現(xiàn)象。
對油淬試樣, 進(jìn)行了在不除氫情況下停放2. 8
天(68h)、5 天、16 天后的氫含量、緩慢拉伸性能、延
遲破壞試驗(yàn)。結(jié)果表明, 自然停放時氫會擴(kuò)散逸出,
停放時間越長, 逸出的氫越多。停放16 天后, 試樣氫
含量小于0. 86ppm , 用緩慢拉伸方法已查不出氫脆,
但用延遲破壞試驗(yàn)仍發(fā)現(xiàn)有氫脆。由此可見, 室溫自
然停放時鋼中氫擴(kuò)散逸出很慢, 所以淬火后應(yīng)及時
回火。
4 氮基氣氛熱處理溫度上限問題研究
　　美國軍標(biāo)規(guī)定, 對沉淀硬化不銹鋼的氮基氣氛
保護(hù)溫度不得超過1050℃, 提出了氮基氣氛熱處理
溫度限制問題, 為此我們進(jìn)行了氮基氣氛熱處理溫
度上限問題探討研究。
選用3Cr2W 8 模具鋼和1Cr18N i9T i 不銹鋼, 其
淬火溫度分別為1050～ 1100℃、1050～ 1150℃。按航
標(biāo)HB6735“航空結(jié)構(gòu)鋼薄脫碳(含元素貧化) 層和增
碳(含增氮) 層深度測定方法”檢查表面脫碳和增碳、
　
增氮情況。試驗(yàn)表
明, 對3Cr2W 8 鋼在
1050℃氮基氣氛保
護(hù)淬火時, 氧勢選擇
1140～ 1160mV 時,
鋼件表面不會產(chǎn)生
脫碳和增碳、增氮現(xiàn)
象。對1Cr18N i9T i
不銹鋼在1050℃氮
基氣氛保護(hù)淬火試
樣表面, 經(jīng)光電子能
量譜儀分析, 沒有發(fā)
現(xiàn)增氮。
在進(jìn)行1100℃以上試驗(yàn)時, 發(fā)現(xiàn)碳勢控制不穩(wěn), 甚至
出現(xiàn)碳勢急劇下降現(xiàn)象。
綜上所述, 氮基氣氛熱處理使用上限溫度不宜
過高, 控制在1050℃以下是合理的。
5 結(jié)　論
　　1. 氮基氣氛可以與傳統(tǒng)吸熱或放熱氣氛一樣,
容易實(shí)現(xiàn)可控保護(hù)淬火和可控滲碳, 由于氮基氣氛
具有靈活方便, 安全性好等優(yōu)點(diǎn), 十分適合我國國
情, 具有廣泛應(yīng)用前景。
2. 氮基氣氛保護(hù)處理沒有滲氫現(xiàn)象, 但仍有氫
脆危險, 應(yīng)及時回火。
3. 氮基氣氛熱處理溫度宜控制在1050℃。
主要參考文獻(xiàn)
1. 丁勇等, 航空超高強(qiáng)度鋼氮基氣氛保護(hù)熱處理工藝研
究,“第六屆全國氮基氣氛熱處理學(xué)術(shù)研討會論文集”, 全國氮
基氣氛熱處理技術(shù)委員會, 1991. 9
2. 王廣生等, 氮基氣氛保護(hù)熱處理氫脆問題研究, 第六
屆全國熱處理大會論文集”, 全國熱處理學(xué)會, 1995. 9
作者: 王廣生　郵編: 100095
通信地址: 北京市81 信箱37 分箱
鎢絲增強(qiáng)高溫合金復(fù)合材料
　　NA SA 在開發(fā)一種鎢絲增強(qiáng)復(fù)合材料用的鎳基基體合
金。其成分與W aspaloy 類似, 只是另外含有2%～ 4% 的鎢。
該復(fù)合材料是為在1090℃工作的燃?xì)鉁u輪及其他用途
而進(jìn)行研制的。
向W aspaloy 合金基體加入鎢是為了延緩鎢絲與基體的
界面反應(yīng), 以及基體與鎢絲之間的元素互擴(kuò)散, 從而提高其高
溫穩(wěn)定性和熱疲勞性能。用加鎢及不加鎢的基體制成的復(fù)合
材料的退火(1090℃, 48h) 試驗(yàn)表明: 前者無反應(yīng)區(qū)而后者有
3. 5Lm 厚的反應(yīng)區(qū)。
(耳冬)
航空制造工程 — 13 —
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