应用N.M.处理消除表层过共析碳化物疵病

摘要：过共析钢过高的含碳量常带来碳化物粗大和网状带状偏析。传统的高温正火工艺不但能耗高，有时效果也不理想。而结合淬火加热进行固溶渗氮，利用氮强烈扩大奥氏体区、降低A
_{1和Acm点的原理，促使表层碳化物溶入奥氏体内，淬火后得到高硬度的含氮马氏体和适量残留奥氏体。随着碳化物的溶解，各种碳化物疵病基本或完全消除。与传统工艺相比有极大节能效果。文中对含氮马氏体化(N.M.)处理给出明确定义，并介绍了N.M.处理消除剪毛机刀片碳化物疵病和改善宇航某零件与军工齿轮碳氮共渗层组织的应用效果。}

关键词：N.M.处理；固溶渗氮；碳化物疵病；过共析钢；渗碳

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A_{1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。}

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

20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。

1974—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。

2.1  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

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。}

2.2.2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。

    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。

2.2.5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)。}

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。}

    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A_{R，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

3.1用于宇航产品零件

    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。

3.1.3  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。}

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。

3.2.2  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)。

A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。

570℃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A_{R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。}

4  结论

    (1)氮的渗入可扩大钢γ区，降低A_{1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。