改善渗氮工艺的重要手段

在生产上经常要对合金钢零件采用渗碳淬火工艺处理，以达到提高表面强度和硬度、改善耐磨性的要求，但经过渗碳淬火处理后的钢件形变量较大，还需增加后续的加工处理等工序，很难最终加工成形。同渗碳处理的工件相比，经渗氮处理后的工件变形较小，能较好地解决上述问题，而且，渗氮层的耐磨性能比渗碳层好，硬度也较高。但是，渗氮处理工艺周期比渗碳长，以渗层0.5mm为例，用时要长达50h，如果将辅助时间计算在内，工艺时长将达3到4天，这将浪费大量的工时、电耗与氨气。另外，渗氮层比渗碳层浅，因而承载及抗冲击载荷能力也比较弱，必须使渗氮深层达到0.55mm以上，才能有效改善渗层的抗冲击及承载能力。

研究表明，在渗氮过程中添加稀土，能够有效提高渗速和渗层硬度，使得渗层加厚，并使组织改善，因而具有催化与微合金化双重作用。实践证明，稀土元素加入渗氮过程能够有效降低渗氮温度；能够大幅提高设备及工件夹具的使用寿命；能够提高零件的弯曲疲劳、接触疲劳强度和耐磨性，因此，添加稀土是使渗氮工艺提高到一个新水平、使产品质量大幅提升的重要技术手段。

稀土元素的上述作用是由于以下原因：稀土元素原子半径比铁原子大40%左右，一旦渗入到钢的表面，会引起周围铁原子点阵的畸变，进而使得缺陷密度增加，即产生新的更多的晶体缺陷，有利于氮原子的吸附和扩散，从而使间隙原子在畸变区富集。同时，稀土元素渗入到钢件表面后，会在短时间内在钢件表面形成一个高的氮浓度，从而形成一个高的氮势和浓度梯度，使得氮原子迅速向里扩散，进而使化学热处理过程明显加快，且使得渗层组织细化，渗层性能得到改善。

稀土在渗氮时的催渗效果远大于渗碳的效果，究其原因，是渗氮的温度通常在α-Fe相区，稀土元素在这一相区内的渗入阻力要远小于γ-Fe相区，稀土在渗氮时渗入量比渗碳时多，因而催渗效果较好。

稀土渗氮具有十分显著的节能效果和经济效益。采用常规渗氮工艺，一般的合金结构钢，当渗层0.3mm时，保温时间一般需要30h以上。如采用稀土渗氮工艺，在相同温度条件下配合使用循环加热的保温渗氮工艺，则保温时间只需14h，比常规渗氮技术的保温时间缩短16h，节省53%的用时，因而能够节省40%用电、减少氨气消耗约35%，减少废气排放约35%。渗层要求0.6mm时，可缩短保温时间约40%。我国是机械制造大国，采用气体渗氮的企业数以千计。据估算，如果全行业在渗氮过程中采用稀土催渗技术，可节电2.250×108kW·h，相当于9万吨标准煤，减少CO2排放8万吨，“节能减排”的功效十分显著。与此同时，钢件质量也将大幅度提高，强度、硬度及表面耐磨性能大大加强，实现高效利用及延长寿命。因此，大力推广稀土渗氮技术意义重大。