稀土氮化工艺的应用现状及发展趋势

发布时间： 07 / 01 2021 作者：网站编辑访问：12316

1980年代中期以来，在生产中，一些一般采用合金钢渗碳淬火工艺处理的齿轮，具有较高的强度要求，以及高速、大功率、高可靠性的要求。但渗碳淬火处理后的钢材形状比较大，需要增加磨齿处理等后续步骤。非渐开线齿轮要实现磨齿处理并不容易。此外，近年来航空航天工业的快速发展也促进了大型精密环件和薄壁件的应用。目前，这些钢件的表面处理大多采用渗碳淬火工艺，也存在最终加工成型困难，淬火后变形大的问题。与渗碳工件相比，渗氮后的工件变形较小，可以较好地解决上述问题。

稀土氮化工艺的应用现状及发展趋势

作为最常见的两种表面硬化热处理工艺，渗氮和渗碳各有优势。渗氮层的耐磨性比渗碳层好，硬度更高，但工艺周期比渗碳层长。渗氮层比渗碳层浅（0.3～0.5mm），承载能力和冲击载荷能力较弱。 . 实验研究表明，深渗氮（>0.55mm）处理可以部分替代渗碳工艺，还可以有效提高渗碳层的抗冲击能力和承载能力。

自从稀土应用于化学热处理以来，国内外学者对稀土在氮化过程中的作用进行了大量研究，并取得了显著成果。即在渗氮过程中加入稀土，可以有效提高渗层的渗入速度和硬度。 ,使渗层增厚，改善结构，从而具有催化和微合金化双重作用。稀土氮化技术的发展取决于其自身的特点，即独特的电子层结构使其具有很强的化学活性。

在渗氮过程中加入稀土元素有很多优点：一是可以加快渗氮速度；二是能有效降低渗氮温度；第三，可以大大增加设备和工件夹具的使用寿命；第四，可以提高零件的弯曲疲劳、接触疲劳强度和耐磨性等。因此，在中国齿轮渗氮中，将稀土元素引入化学热处理工艺，使工艺提高到一个新的水平，大大提高产品质量，从而早日与国际接轨，增强国际竞争力。

一、常规氮化工艺的应用现状

渗氮是一种应用广泛的表面化学热处理技术。渗氮工艺的目的是在基本不改变工件自身性能和尺寸的情况下，获得较高的表面硬度，同时提高耐磨性，提高疲劳寿命。 . 与其他化学热处理工艺一样，渗氮工艺包括渗氮介质的分解、渗氮剂中的反应、扩散、相界面反应、渗入的氮元素在铁中的扩散，以及氮化物的形成。根据Fe-N合金相图，渗氮温度一般低于590℃（氮的共析温度），渗氮层从表面到内部形成ε相和α相。由于ε相中氮原子的扩散速度最慢，在渗氮层形成后，ε相会起到屏障的作用，阻碍氮原子的向内扩散。因此，一般情况下，渗氮一段时间后渗氮层的生长速度会明显下降。
稀土氮化工艺

2.1 稀土渗氮机理

稀土是镧系元素和钪（Sc）、钇（Y）等17种元素的统称。这些稀土元素比较活跃，位于镁（Mg）和铝（Al）之间。由于其独特的特性，它被广泛应用于许多领域。也正是由于这些特性，它可以作为热处理促进剂，用于化学热处理。在化学热处理中，镧（La）和铈（Ce）往往是主要元素，因为它们具有4f电子层结构，化学电负性强，如铈（Ce）-2.48，镧（La）-2.52，因此，其化学性质相对活跃，进而使其能够与多种非金属产生更好的化学协同作用。哈尔滨工业大学的学者认为，具有特殊电子结构和化学活性的稀土元素可以渗透到钢件表面。之所以有诸多优点，是因为稀土元素一旦渗入钢的表面，其原子半径比铁原子的半径大40%左右，就会引起周围铁原子晶格的畸变，在反过来会增加缺陷密度，即扭曲会产生更多的新缺陷。晶体缺陷有利于氮原子的吸附和扩散，使填隙原子在畸变区富集。稀土元素渗入钢件表面后，短时间内会在钢件表面形成较高的氮浓度，从而形成较高的氮势和浓度梯度，使氮原子向内扩散从而使化学热处理过程明显加快和细化渗层结构，提高渗层性能。

笔者认为，稀土渗氮率的大幅提高主要有以下几个原因：

稀土元素的渗入使缺陷密度增加，扩散通量J增大，氮原子的转移系数大大增加。
稀土元素的渗入引起表面Fe原子晶格畸变，使表面能增加，从而增加捕获间隙N原子的吸附能。
畸变区大量N原子的富集，增大了氮浓度差，增强了化学能，加快了扩散速度。

2.2.稀土渗氮的特点

稀土在渗氮过程中的催化作用远大于渗碳，这是稀土渗氮的一个重要特性。原因是渗氮温度通常在α-Fe相区，该相区稀土元素的渗透阻力远小于γ-Fe相区；此外，稀土渗入量也是影响渗入效果的主要因素。 . 一般来说，渗入量大的渗入效果较好，渗氮时的稀土渗入量比渗碳时多，所以渗氮时的渗入效果更好。

氮化层中氮化物的分布和形貌是决定氮化层硬度的关键。当氮化物分散分布时，硬度较高，反之，硬度较低。在常规氮化工艺中，一般会产生片状氮化物，氮化物与母相是共聚或半共聚的。随着温度升高，氮化物不断积累变大，从母相中脱溶，硬度急剧下降。

在稀土氮化过程中，稀土的渗入使氮化物呈现分散不均匀的分布状态，使自由能急剧上升，成为间隙N原子的陷阱。同时，可以形成亚稳态的科特雷尔气团，可以减少那里的能量。氮化物的形成以稀土元素为核心，其分布变得精细分散。同时，它还呈现出弥散的准球形析出物，从而避免了脉状结构的产生，也避免了氮化物沿晶界的偏析。此外，在一定温度范围内，氮化物的形貌不会发生变化，其分布也不会发生变化。与常规氮化技术相比，稀土氮化技术使氮化层硬度更高，脆性可保持在0~1级。

2.3. 稀土氮化工艺要求

稀土渗氮具有渗氮层硬度较高的特点。根据这一特性，氮化温度可提高10～20℃，从而更有效地促进氮化率的提高。根据大量实验结果可以发现，在相同温度下，稀土渗氮只能提高15%～20%的渗透率，但温度升高20℃后，渗透率提高可以大大增加。同时，与常规渗氮技术类似，稀土渗氮必须将渗氮的氨分解率控制在合理范围内，即初期应采用较高的氮势（Np），然后逐渐降低。一般采用变温变渗氮电位的两端可控气氛渗氮工艺，在初期降低氨分解率，提高氮电位以满足加快渗氮速度的要求，大大提高它。

2.4. 稀土渗氮的经济效益与节能

采用常规渗氮工艺，一般合金结构钢，当层数需要0.3mm时，保温时间一般需要30h以上。渗层要求0.6mm时，保温时间需90h以上。在催化剂中加入稀土渗氮后，当普通合金结构钢需要0.3mm的渗层时，如果在相同温度条件下可以采用循环保温渗氮工艺，保温时间只需14h。与常规氮化技术相比，保温时间缩短16h，节省时间53%。因此，它可以节省40%的电力，减少约35%的氨消耗，减少约35%的废气排放。当穿透层要求0.6mm时，保温时间可缩短40%左右。

中国是机械制造大国，有数千家企业使用气体渗氮，主要分布在机床制造、风电传动、航空航天设备、模具制造等行业。预计3000台井式氮化炉（按75kW计算）每年运行100次，每次通电25h每年耗电5.625×108kW•h。使用稀土渗透剂可使渗透率提高40%，节电2.250×108kW•h，相当于90,000万吨标准煤，减少CO2排放80,000万吨。因此，如果整个行业在氮化过程中采用稀土渗滤技术，将会有更好的“节能减排”效果。

3、稀土渗氮技术的发展

3.1. 稀土氮化的重要性

近年来，随着世界能源价格普遍上涨，中国经济发展面临巨大挑战。为此，提出建设创新型节能国家，实现经济可持续发展的目标，并出台相关措施，降低能耗、节能减排。及相关政策，实现高效延寿。根据稀土渗氮工艺的初步试验可知，稀土催化渗渗可大大缩短气体渗氮的时间，对不同钢材表现出不同的催化效果，一般可缩短30%～60%左右。 %，表面硬度也低。与传统氮化相比，可提高50～150HV。初步测算表明，采用该技术将大大降低电耗，预计可降低电耗30%～40%，减少氮化废气排放，缩短工时，提高工作效率。同时钢件质量大大提高，耐磨性大大增强，表面耐磨性大大增强，在一定范围内提高强度和硬度，实现高效使用和长寿命. 稀土氮化技术将推动我国氮化工艺的发展。

3.2 稀土氮化的前景

渗氮工艺具有提高零件表面硬度、提高零件耐磨性、提高耐蚀性和抗疲劳性等特点。可广泛应用于模具生产和动力机械行业。渗氮是机械加工中不可替代的工艺，但渗氮工艺中还存在一些亟待解决的问题。例如，处理时间太长。以0.5mm层为例，需要长达50h。如果加上辅助时间包括计算，其处理时间将达到3到4天。因此，这会浪费大量的工时、电耗和氨。为此，今后渗氮工艺的研究重点应集中在以下几个方面：一是缩短渗氮时间；二是加深渗透层；三是降低能耗；四是向发展绿色经济方向转变。

针对我国丰富的稀土资源和稀土氮化工艺的诸多优势，应通过技术创新和推广，充分发挥资源和技术优势，形成产业发展优势和经济效益。

材料科学与技术研究人员应以稀土氮化工艺的创新与推广为研究重点，对其内在规律和氮化机理进行更深入的探讨。持续开展高效稀土催化剂的研发，力争实现稀土氮化工艺全面替代常规氮化工艺，最大限度发挥节能减排降耗增效效果增加和延长寿命。

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