林鍵

（福建省機(jī)械科學(xué)研究院，福建 福州 350005）

福建光澤電爐廠(chǎng)承擔(dān)省科委下達(dá)的“工頻磁場(chǎng)氣體軟氮化設(shè)備的研制”課題，為配合設(shè)備研制工作的需要，提供一臺(tái)磁場(chǎng)軟氮化工藝試驗(yàn)爐，委托筆者單位進(jìn)行磁場(chǎng)軟氮化工藝試驗(yàn)。下文將介紹試驗(yàn)情況，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

廠(chǎng)方提供的試驗(yàn)爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。爐膛尺寸為Φ200 mm×460 mm，其有效空間為Φ200 mm×200 mm（指爐溫均勻區(qū)），爐膛采用不銹鋼1Cr18Ni9Ti鋼板制作。爐膛外圍裝有激磁線(xiàn)圈，它既產(chǎn)生磁場(chǎng)又提供熱能；由工頻50 Hz電源供電，用調(diào)壓器調(diào)節(jié)電流大小。

2 試樣材料和工藝參數(shù)

試樣材料采用經(jīng)調(diào)質(zhì)處理過(guò)的純鐵和38CrMoAl，軟氮化工藝主要參數(shù)見(jiàn)各試驗(yàn)項(xiàng)目。氨流量為1.5～2 L/min，酒精滴量為20～30 d/min，爐壓為0.196～0.392 kPa。

3 磁場(chǎng)強(qiáng)度的選用

據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，氮化層硬度和深度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增高而增大，當(dāng)H=2.1×103A/m時(shí)為最大，而后逐漸減小，直至H增加到4.0×103A/m左右，隨后H繼續(xù)增高，硬度和深度幾乎不變，如圖2曲線(xiàn)所示。

由于圖2曲線(xiàn)是在石英管爐膛中進(jìn)行的試驗(yàn)所得，而現(xiàn)在的試驗(yàn)爐和今后廠(chǎng)方研制的生產(chǎn)性爐子爐膛均需采用不銹鋼制成。不銹鋼爐膛在磁場(chǎng)中形成一個(gè)閉合回路，必然要起到部分屏蔽作用，但是隨著溫度升高，屏蔽效果下降。因此爐膛內(nèi)實(shí)際的磁場(chǎng)強(qiáng)度與爐子繞組數(shù)據(jù)和電流值的理論計(jì)算值差別較大。

為了了解磁場(chǎng)軟氮化過(guò)程中爐膛內(nèi)的實(shí)際磁場(chǎng)強(qiáng)度H的數(shù)值，我們采用交流磁通測(cè)量法，即將測(cè)量線(xiàn)圈中所測(cè)得的電壓值E代入公式⑴求出交變磁通量，再根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁通量的關(guān)系式1.25×H=φm/5（在空氣中），近似計(jì)算出磁場(chǎng)強(qiáng)度H。

式中：E—測(cè)量線(xiàn)圈中感應(yīng)電勢(shì)（伏），V；

f—一般為50 Hz；

W—測(cè)量線(xiàn)圈匝數(shù)；

S—測(cè)量線(xiàn)圈的面積，cm2。

由此實(shí)測(cè)的電爐內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度H的數(shù)值如表1所示。

表1 電爐內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度H的實(shí)測(cè)數(shù)值 單位：A/m

本試驗(yàn)激磁電流選用30 A，因此爐膛溫度在常溫、460～500 ℃、530～570 ℃的情況下，爐膛內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為（1.4～1.5）×103A/m、（3.2～3.3）×103A/m和3.7×103A/m。

4 軟氮化時(shí)間對(duì)滲層的影響試驗(yàn)

在570 ℃和520 ℃兩種試驗(yàn)溫度下，對(duì)純鐵和38CrMoAl二種材料分別進(jìn)行同一溫度下不同時(shí)間的磁場(chǎng)軟氮化和通常的氣體軟氮化對(duì)比試驗(yàn)（其它工藝參數(shù)相同）。試驗(yàn)結(jié)果如表2（軟氮化溫度570℃）、圖3、圖4和表3（軟氮化溫度為520℃）、圖5、圖6所示。

4.1 軟氮化溫度為570℃

兩種材料在570 ℃下軟氮化2、4 h結(jié)果（見(jiàn)表2）和滲層硬度梯度曲線(xiàn)（圖3、圖4）。

4.2 軟氮化溫度為520 ℃

表2 570 ℃下不同時(shí)間的磁場(chǎng)軟氮化和通常氣體軟氮化對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

表3 520℃下不同時(shí)間的磁場(chǎng)軟氮化和通常氣體軟氮化對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

兩種材料在520 ℃下軟氮化4、6 h結(jié)果（見(jiàn)表3）和滲層硬度梯度曲線(xiàn)（圖5、圖6）。

由以上檢測(cè)結(jié)果可以看出：在相同溫度下經(jīng)不同時(shí)間的軟氮化，兩種材料的滲層硬度和滲層深度，磁場(chǎng)軟氮化均高于通常的氣體軟氮化。

5 軟氮化溫度對(duì)滲層的影響試驗(yàn)

對(duì)純鐵和38CrMoAl二種材料進(jìn)行相同時(shí)間不同溫度下的磁場(chǎng)軟氮化和通常氣體軟氮化比較試驗(yàn)，除溫度外其它工藝參數(shù)相同。試驗(yàn)結(jié)果如表4（軟氮化時(shí)間為4 h）、圖7、圖8和表5（軟氮化時(shí)間為6 h）、圖9、圖10所示。

5.1 軟氮化時(shí)間為4 h

兩種材料在不同溫度下經(jīng)4h磁場(chǎng)軟氮化和通常氣體軟氮化結(jié)果（表4）；兩種材料在520 ℃下經(jīng)4 h磁場(chǎng)軟氮化和通常氣體軟氮化滲層硬度梯度曲線(xiàn)如圖7和圖8所示。

表4 不同溫度下磁場(chǎng)軟氮化和通常氣體軟氮化4 h對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

5.2 軟氮化時(shí)間為6 h

兩種材料在不同溫度下經(jīng)6 h磁場(chǎng)軟氮化和通常氣體軟氮化結(jié)果（表5）；兩種材料在480 ℃下經(jīng)6 h磁場(chǎng)軟氮化和通常氣體軟氮化滲層硬度梯度曲線(xiàn)如圖9和圖10所示。

38CrMoAl經(jīng)480℃、10 h磁場(chǎng)軟氮化，化合物層厚度為4～5μm，擴(kuò)散層深度達(dá)250μm，硬度梯度曲線(xiàn)如圖11所示，顯微組織如圖12所示。

6 試驗(yàn)結(jié)果探析

⑴ 從本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，無(wú)論在相同溫度不同時(shí)間，還是在相同時(shí)間不同溫度下的試驗(yàn)，磁場(chǎng)氣體軟氮化所獲得的滲層深度和硬度均明顯地高于通常的氣體軟氮化。

表5 不同溫度下磁場(chǎng)軟氮化和通常氣體軟氮化6 h對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

⑵ 對(duì)于38CrMoAl（標(biāo)準(zhǔn)的氮化用鋼），磁場(chǎng)軟氮化溫度降低至480 ℃時(shí)，仍然可以獲得有效的軟氮化效果（在此溫度下磁場(chǎng)氣體軟氮化6 h滲層表面硬度達(dá)Hm50 1072，離表面60μm處的硬度達(dá)Hm50 723，擴(kuò)散層深達(dá)165μm，當(dāng)軟氮化時(shí)間延至10 h，擴(kuò)散層深度就增加至250μm。）而通常氣體軟氮化當(dāng)溫度在500 ℃以下時(shí)軟氮化效果就不明顯，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。較低的軟氮化溫度對(duì)于形狀復(fù)雜、要求變形小的工件是很重要的。

⑶ 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，純鐵軟氮化后的冷卻速度對(duì)擴(kuò)散層的硬度有明顯的影響，快冷（空冷）比慢冷（隨爐冷卻）的硬度高。從顯微組織的觀察中看到，緩冷的組織中有大量針條狀Fe4N析出，因而硬度較低。38CrMoAl鋼就沒(méi)有這種現(xiàn)象，軟氮化的冷卻速度對(duì)其滲層硬度的影響不明顯。

⑷ 38CrMoAl磁場(chǎng)氣體軟氮化的滲層顯微組織質(zhì)量?jī)?yōu)良，沒(méi)有出現(xiàn)導(dǎo)致滲層脆性增大的缺陷組織，顯微硬度壓痕完整。

7 結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果肯定了磁場(chǎng)對(duì)軟氮化過(guò)程有明顯的促進(jìn)作用。在相同條件下，磁場(chǎng)氣體軟氮化獲得的滲層厚度和硬度明顯地高于通常氣體軟氮化，尤其對(duì)于氮化鋼38CrMoAl磁場(chǎng)氣體軟氮化溫度可以降低至480 ℃，實(shí)用意義重大（對(duì)3Cr2W8、高速鋼等高合金鋼也具有同樣效果）。

本試驗(yàn)是試探性的初步試驗(yàn)，工藝參數(shù)不是最佳，因此所取得的結(jié)果也不是最佳的。所以今后在磁場(chǎng)氣體氮化機(jī)理和最佳工藝參數(shù)選擇等方面還有大量的工作需要做。