应用N.M.处理消除表层过共析碳化物疵病

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1  前言
过共析碳素工具钢和合金工具钢经适当热处理，可获得高硬度和高耐磨性，因而是制造各种刀、量具的常用材料。由于含碳量高，轧制、锻压或毛胚热处理工艺不当，常产生碳化物(K)粗大和网状、带头偏析，给成品带来高脆性，耐磨性也随之降低。为消除这些K疵病，传统的经典工艺是对毛胚或半成品加热到。Accm以上进行正火。这是工时长、能耗高的工艺，效果往往也不理想。对于许多刀具、量具来说，心部的K疵病并不足以使整体强度降低到不能使用的程度，只要刀刃或表面金相组织改善，其性能就可以提高。这些工具如果成品热处理时进行短时间固溶渗氮，随后出炉淬火，即可得到满意效果，不但节能省时，还可提高寿命。该工艺我们称之为“含氮马氏体化处理”，简称“N.M.处理”。对于铁合金，氮的渗入可大幅度降低A1和A3(Acm)点，在较低温度下就能促使K溶入奥氏体(A)内，K疵病随之消失，淬火后渗层内得到含碳和氮的马氏体(M)及适量残留奥氏体(AR)组织，心部则为M和原有的K(图1a、b)。同理，对一些需要长时间深层渗碳、因而容易出现网状带状偏析的零件，渗碳后淬火加热时渗入适量的氮，就可使渗层金相组织大大改善，避免了废品，提高了质量和寿命。

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* L1 n- R; R2 q  p应用N.M.处理工艺，我们从1974年以来生产了数以十万计的剪毛机刀片，少量石灰打浆机锤杆。内蒙有的单位用于军工重负荷齿轮和某宇航产品零件，都得到满意效果。

剪羊毛机
2  N.M.处理消除剪毛机刀片K偏析
, i, w( H2 S  N8 r( S* K20世纪60年代初我国开始生产剪羊毛机。当时羊群多在荒漠或半荒漠草原上放牧，毛中含砂量极高。一副刀片每剪2—3头羊就要卸下磨刀，每副刀片剪几十头羊就磨损报废，严重影响了机械化剪毛的推广。各厂曾用过国产T12A、Cr06、苏联X05(w％C 1.25—1.40，Cr0.4—0.6)钢效果不佳。1968年原农机部统一进口日本SKS8(w％C 1.30—1.50，Cr0.20—0.50，W2.0—2.5)钢供各厂使用，均未见起色。
+ O" }& F$ x; i1 R# Y7 F1974—l978年笔者参加剪毛机刀片质量攻关，对刀片材料做过全面分析，发现SKS8、Cr06和X05钢原材料都含碳量过高、金相组织存在K粗大和严重网状、带状偏析问题(见图1a、b心部)。著名的前苏联工具钢专家Fennep指出：碳工钢和低合工钢中含C量>1.20％时，几乎不可避免地会出现K偏析[1]。攻关中，我们和冶金部门共同研制成功国产刀片用钢和热处理新工艺，提前超标准地完成攻关任务[2]。而面对各厂积压的大量SKS8和Cr06钢材，也做了许多试验，找到了消除K疵病的热处理新工艺，将这些钢材重新利用起来。
8 g( ~3 s, y( o4 c: P2.1  高温正火处理
刀片生产厂对这些钢材曾按传统工艺作高温正火消除K偏析处理。由于SKS8和Cr06钢含碳量≥1.30％，其Acm≥950℃故正火试验从950℃×30min(盐浴加热)做起(上刀片毛胚为1.5mm冷轧带钢，下刀片毛胚为4.5mm热轧带钢)。结果表明：在950℃即使保温240min，K也不能全部溶解。后来用到1070℃×30min空冷。但高温正火后组织十分粗大，二次K沿粗大晶界(约2—3级晶粒度)呈网状析出，并有针状魏氏组织(图2)，硬度高达34—39HRc。为消除二次K网，补充920℃油淬和730℃回火软化。最后该厂采取的预处理工艺是：1070℃×30min空冷+920℃×10min油淬+730℃×60min回火，硬度为18—22HRc。

2.2  N.M.处理工艺
$ E0 \# V5 @0 Z5 U* ~2.2.1  定义  用带有严重K偏析的钢材加工成刀片，在井式气体渗碳炉内进行固溶渗氮(在含活性N的盐溶中也有相同效果，但有污染故不用)，出炉油淬并低温回火，作为刀片最后的成品热处理。此即“含氮马氏化处理”，简称“N.M.处理”。它有两层含义：a.含氮化处理，即对工件固溶渗氮，以得到含氮的奥氏体—A(N)；b.马氏体化处理，即将A(N)淬火成含氮马氏体—MN)加适量含氮的残留奥氏体—AR(N)。由于处理工艺不同，或许渗层中还保留一些过剩K，这对某些零件可提高其耐磨性，而对剪毛机刀片之类的锋利刀具则不希望存在。N能促使渗层K溶于A中，所以即使渗层还保留一些过剩K，其形态也将改变：细化、球化，网状带状偏析弱化。总之，有利于疲劳强度、耐磨性和韧性的提高。对量具等精密零件可以大大提高加工后的光洁度。N.M.处理不允许由于渗N而出现新的N化物层，否则就不是固溶渗N，就不是N.M.处理。无疑渗层中的M和AR中还含有碳，甚至少量合金元素。但它们都是钢材本身带来的，与本工艺无关。所以本工艺仍然命名为含氮马氏体化处理。在N原子渗入时渗层中的C原子可能部分向内层转移，甚至向外脱碳(例如以氨或尿素为渗剂，炉内碳势较低时)，只要不降低硬度和耐磨性，这是允许的，不必为保持高碳势而刻意添加煤油或苯。
2 E/ a" j: L4 r' c) v! W# k2.2.2处理工艺  刀片高温装入炉中，立即滴入渗剂(三乙醇胺、甲酰胺、尿素均可，三者氮势依次增高，而碳势则依次降低)快速排气，以防氧化脱碳。处理温度为760℃—850℃，可结合各牌号工具钢正常淬火温度进行，出炉直接油中淬火。低于750℃，刀片心部淬火不足，有托氏体；高于860℃，渗层中M(N)太粗，AR过多，影响性能。处理时间取15—60min，表面可得到0.03—0.10mm的K溶解层(出炉前改滴酒精5min，将炉内含氰气体排出烧尽)，少于15min K溶解层不明显，超过60min表面可能出现氮化物。对于碳工钢和低合工钢，因缺少形成高硬氮化物的元素，有时化合物的硬度还不及M(N)高。
2.2.3渗层成分与组织  选用厚0.1mm，成分与刀片用钢相近的Cr03钢箔(w％C1.23，Cr0.32)同炉共渗后，测定钢箔成分为w％C 1.17—1.30，N 0.39—0.74。有的研究表明：T8钢在800℃苯加氨气氛中CN共渗，第一小时N含量可迅速达到0.8％，时间延长反而渐渐下降，而C含量则不断升高。我们的试验也证实了这点。
1 R& Q8 E, }' N; I    正常的N.M.处理层组织应该由细小M(N)＋AR(N)组成，对剪毛机刀片来说，要求没有过剩K，这是基于我们对刀片磨损机理研究的结果。对其它零件则可根据其服役条件、失效方式区别对待。但是消除表层粗大K及带状网状偏析则是N.M.处理必须达到的目的。
2.2.4剪毛效果  N.M.处理消除了刀片表层K疵病，防止了崩刃，使刀片寿命(用每副刀片每次刃磨后剪新疆细毛羊头数表示)大幅度提高。在同等条件下经几万头羊大规模剪毛考核结果，与普通油淬相比，N.M.处理使SKS8试验刀片从3.7头／次，提高到16.2头／次；使SKS8批量生产刀片从2头／次提高到13.9头／次。这一数据略高于当年进口、有国际王牌刀片之称的某牌号刀片(13.4头／次)。而我们研制的新材料T12J刀片则为21头／次，每副刀片用至报废总剪羊头数达1000头以上。
* n% r8 x9 G' ?( A2.2.5分析讨论  氮是极强烈扩大γ区的元素，能大幅度降低α—γ的转变。由Fe—C—N三元合金700℃、800℃、900℃等温截面相图(图3)可以看出，随着温度升高，γ区不断扩大，800℃时含C量0.5～1.10％的碳钢只需稍稍渗N，就可得到单一的γ(N)，淬火后得到M(N)。

  O$ ~* @: S, J7 E0 U8 q图4是一幅N.M.处理后空冷的照片(试样为厚4.5mmCr06热轧钢带)。它清晰反映了N.M.处理的变化过程。图中由表及里分A、B、C、D四层，最表面的A层是高温装炉后排气不尽和出炉空冷而产生的氧化层，在M(N)和AR(N)上有内氧化的黑网，硬度很低，正常处理时不允许出现。淬火后要精磨的零件则另作别论。

/ u, [8 v5 Z; `; J# H    正常N.M.处理后表面组织应为图中B层。这层N渗入最多并固溶于A中，由于N促使K溶入A内，含高C、N的A，空冷已能淬火，故得到M(N)和部分AR(N)，没有过剩K，硬度800—840HV0.1。N继续深入，其浓度逐渐降低，到C层时已不足以使K溶解。但渗了N的A，空冷时还能淬硬，AR也较少。所以C层由M(N)加K及少量AR组成，硬度最高，达825—880HV0.1，这层最耐磨。再向内的D层未渗上N，空冷时未淬硬，只相当正火组织，由索氏体加原有K组成，硬度284—368HV0.1。如N.M.处理后淬油，则D层应为工具钢正常淬火组织。
    若金相试样腐蚀恰到好处，可以看出，由表面到C层，M(N)均呈灰白色，明显区别于D层。C层灰白基体上还分布有白亮的K，其形貌与D层基本相同。同时，C层和B层厚度相当，说明N渗入层厚度约为K完全溶解层的两倍。
    由于渗层K偏析得以消除，又含较多AR，故表层呈韧性断口。N.M.处理刀片的刃口在磨粒推动下并不崩刃，而作塑性流动，有力地消耗了磨粒能量，延缓了刃口的磨损、破坏(图5)。

3  N、M处理消除CN共渗层K偏析
* f: W9 ]$ n  |& |- Z; V. ?% z3.1用于宇航产品零件
0 w% N' w  j$ D5 d4 ]' U    某零件材料为20CrMnTi钢锻件，要求CN共渗淬火，渗层深≥1.30mm，共渗时间长，渗层常出现粗大密集的块状网状CN化合物，脆性高，在随后机加工时易产生裂纹，还经常在二次加热淬火时因脱碳造成硬度低等问题，长期得不到解决。后从N.M.处理中受到启发，既然固溶渗N能消除钢表层K疵病，也应该能改善共渗层的组织性能。1980年代后期试验成功用N.M.处理代替原二次加热淬火，保证了组织和性能合格，用于生产质量一直稳定。
3.1.1  原工艺CN共渗在井式气体渗C炉进行，渗剂为三乙醇胺+乙醇，温度880℃，出炉缓冷，渗层≥1.30mm，机加工后二次加热淬火。为稳定尺寸，淬火后需冰冷处理，最后低温回火。
3.1.2  新工艺CN共渗工艺不变，机加工后的N.M.处理在同一井式渗碳炉中进行。为避免粘稠的三乙醇胺堵塞管道，改用氨气并滴少量乙醇以防脱碳，温度870℃，时间视工件尺寸而定，出炉直接淬油，其后按原工艺冰冷处理并回火。
; g, P' C3 |5 A) F# V$ x3.1.3  N.M.处理效果N.M.处理后表层得到极细的M(N)加AR(技术要求1—3级，实际都是1级)。表层CN化合物基本溶解，即使共渗后达5—6级的大块状密集CN化合物，也变为2、3级的细小颗粒(要求1—4级合格)。硬度为61—65HRC(要求60—66HRC)。显微硬度测试，即使共渗后化合物5—6级的试样，N.M.处理并回火后，渗层硬度梯度也很平缓。N.M.处理操作简便，并不增加工序，无需增添设备，成本不高，质量稳定。
" ]7 e% W3 F: M9 ?3.2  用于军工高精度重负荷齿轮
3.2.1  新旧工艺  内蒙一机厂20Cr2Ni4A钢、模数为7—9的高精度重负荷齿轮，原工艺为820℃氨加煤油CN共渗空冷——精加工——淬火——低温回火。由于渗层深，共渗时间长，渗层常出现大片状CN化合物或粗大钩条状CN化合物加粗大孪晶M，齿面抗疲劳剥落性能差、寿命低。李冬贵等对此精心设计了一套新工艺：齿轮先920℃高温CN共渗，以快速获得所需渗层厚度，然后随炉降温进行570℃×(3—4)h的CN共渗，以获得高的N含量，再随炉升温到760℃—880℃加热A化，出炉淬火。CN共渗、NC共渗和A化三步既可在渗碳炉中连续进行，也可以CN共渗后齿部精加工，再NC共渗和整体加热淬火。经这样处理的齿轮，渗层为纤细的位错M与高度弥散的细圆形CN化合物，具有较高的静弯强度和接触疲劳强度，其耐磨性和抗咬合性能也比一般CN共渗或渗C淬火者高。
& L; e- S( g3 e% [% F; i! Q5 e3.2.2  工艺分析模数为7—9的齿轮，其渗层厚度都在1.30mm以上，用氨加煤油为渗剂，820℃ CN共渗，必然时间很长，CN化合物粗大及网状带状偏析在所难免。新工艺920℃共渗，渗速大大提高，可较快达到一定渗层厚度。但920℃时氨分解率很高，炉内N势低，主要是渗碳，氮渗入十分有限。因而其后的570℃ NC共渗可大大提高表面N含量，而得到ε＋γ化合物(经X线衍射证实)，在随后淬火加热时ε＋γ分解，N溶入A中，形成含高N的A，淬火后转变为M(N)。
/ d8 }  B0 d9 kA中N含量升高，也促使高温共渗生成的粗大网带状CN化合物溶解或者细化，消除化合物偏析。
% i1 [1 e( Q7 p' ^& `  v570℃的共渗还有两个作用：a、对920℃共渗后精加工再淬火的齿轮起到预热作用，可降低应力，减少变形；b、20Cr2Ni4A钢920℃共渗后即使空冷，其组织也是孪晶M加AR和K，570℃的NC共渗也起到高温回火作用，使M和AR中析出细微的粒状CN化合物，淬火加热时可阻止晶粒长大；另一方面也降低了基体中的CN含量。二次加热淬火时，这部分A可能转变成纤细的位错M。所以这一工艺设计是合理的，给人们提供有价值的参考。
  C9 V, J- r5 _# Q: h( [( \4  结论
    (1)氮的渗入可扩大钢γ区，降低A1和A3(Acm)点。过共析钢结合淬火加热，同时进行固溶渗氮，可使表层碳化物溶入A中，淬火后得到无K的M(N)表层；
    (2)含氮马氏体化处理(N.M.处理)可用于消除工具钢或渗碳、碳氮共渗零件表层K、CN化合物存在的颗粒粗大和网状、带状偏析等疵病，提高零件性能与寿命；
    (3)与传统高温正火相比，N.M.处理是消除过共析钢表层K疵病最简单，最节能的新工艺。