表面滲氮金相組織機理的研究
摘要：以Fe-N相圖、氮化物晶體結(jié)構(gòu)及相變平衡態(tài)為依據(jù)，研究分析了滲氮過程中形成的各種間隙化合物、γ相的轉(zhuǎn)變組織以及α-Fe相中的析出組織的結(jié)構(gòu)特點，并分析了各種相的生長機理及影響因素。大量圖片及數(shù)據(jù)為實現(xiàn)對滲氮過程中形成的各種金相組織進行判定，提供了依據(jù)，并彌補了目前行業(yè)內(nèi)滲氮過程中氮化物金相組織結(jié)構(gòu)研究數(shù)據(jù)較少的狀況。
01前言
鋼鐵零件在一定溫度的可釋放活性氮原子的介質(zhì)中保溫一定時間，使其表面滲入氮原子的過程叫作鋼的滲氮或氮化。自1923年，被德國人應(yīng)用在鋼鐵上以來，滲氮工藝是目前對零件進行表面強化處理而廣泛采用的技術(shù)之一。相對于常用的滲碳工藝，該工藝熱處理溫度低、畸變小，可明顯提高零部件的表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性和抗咬合能力，有效延長了零部件的使用壽命。由于這些優(yōu)點，滲氮處理廣泛應(yīng)用在汽車、船舶、航空等機械部件的生產(chǎn)中。
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對工件表面強化的要求越來越高，滲氮工藝的種類也越來越多。但由于鋼中含有不同程度的鋁元素，形成的非金屬夾雜具有過熱敏感性，使?jié)B氮層表面脆性增大，易發(fā)生剝落或開裂，同時，為了控制滲氮層的厚度以及滲氮層的致密性，對表面氮化層金相組織生長機理進行研究，以實現(xiàn)對不同工藝參數(shù)的調(diào)控，并彌補目前行業(yè)內(nèi)對異常氮化組織生長機理缺少大量數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，具有十分重要的意義。
02氮化相變機理
通常以氣體、熔鹽或顆粒為氮化劑，工件表面滲氮或碳氮共滲一般采用480～590℃，硬度達到68～72HRC。隨著技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外開發(fā)出低溫滲氮工藝，同時又為增加滲氮層厚度，提高滲氮效率，研究出表面納米化的低溫滲氮、循環(huán)滲氮、活性屏離子低溫滲氮等。依據(jù)Fe-N相圖（圖1），592℃時發(fā)生共析相變，γ-Fe（N）→α-Fe（N）+γ′-Fe（N）有奧氏體產(chǎn)生；650℃時發(fā)生共析相變，ε→α-Fe（N）+γ′-Fe4N在滲氮過程中，不同溫度、不同氮濃度等參數(shù)下，會形成不同的相組織，各種不同相組織及化學(xué)式如表1所示。
表2簡單總結(jié)了滲氮過程及相變序列，滲氮層形成時，含氮鐵素體（α-Fe（N））未達到飽和，隨滲氮時間延長而增厚；隨活性氮原子的滲入和擴散，N原子達到飽和發(fā)生相變，形成含氮奧氏體（γ-Fe（N）），以及奧氏體的相變，α-Fe（N）→γ-Fe（N）→γ′-Fe4N；當(dāng)γ′相達到過飽和狀態(tài)時，形成含N量更高的ε相（Fe2-3N）。最后滲層主要由γ′相和ε相組成的化合物以及含氮鐵素體組成的擴散層組成，在奧氏體滲氮過程中的滲層中還會存在由γ-Fe（N）組成的介于化合物層和擴散層之間的過渡層。碳氮共滲和滲氮的機理基本是相似的，但由于碳的加入，使表面形成的相更為復(fù)雜，目前對于Fe-N-C 三元相圖，還沒有明確的鐵素體碳氮共滲和奧氏體碳氮共滲的溫度劃分點。
圖1 Fe-N相圖
表1 Fe-N圖中的相及性能
表2 滲氮相變序列及平衡態(tài)相組成
03氮化組織特征分析
滲氮過程中不同的相是由不同的晶體結(jié)構(gòu)為基體組成，不同的晶體取向會體現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，如表3所示，因此經(jīng)不同工藝參數(shù)滲氮的零部件會體現(xiàn)出各種優(yōu)缺性能。通過調(diào)控零部件表層的相結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)提高零部件表面性能的重要手段，同時，通過研究各種相的組織形態(tài)特征，也是實現(xiàn)對組織的判定和創(chuàng)新工藝的重要途徑。
表3 與力學(xué)性能相關(guān)的滲氮因素
3.1γ′相金相組織特征
γ′相是以Fe4N為基的固溶體，為面心立方的間隙化合物，在590℃左右，γ′相在滲氮層中為終極相或過渡相；滲氮降溫過程中，γ′相即是γ相的共析相之一，也是過飽和α-Fe（N）的析出相；該相硬度高、韌性好，具有鐵磁性，且該相經(jīng)研究具有擇優(yōu)取向性，有利于提高耐磨性能，所以在氮化層金相組織檢驗分析中，該相是關(guān)注相。
低碳鋼滲氮組織，表層組織均呈現(xiàn)為典型的柱狀由表及里的“欒晶”定向生長方式，未發(fā)現(xiàn)六方截面，圖2為滲氮層的光學(xué)顯微鏡（OM）圖，圖3為掃描電鏡（SEM）圖片。據(jù)有關(guān)資料研究分析，這種異常組織和溫度過高，化合物分解轉(zhuǎn)變成奧氏體有關(guān)。化合物層的柱狀區(qū)域為過共析的γ′-Fe4N和γ-Fe（N）奧氏體相。溫度＞590℃時，在α-Fe 基體上，γ和γ′相先后在表面沿氮原子擴散方向（箭頭指向）形核并生長，成柱狀晶粒，如圖4所示；溫度＜590℃時，則沒有奧氏體相，γ相在冷卻過程中發(fā)生分解為屈氏體，其形態(tài)體現(xiàn)了氮的沿晶滲入，如圖5所示。由表及里，這種異常組織的不同區(qū)域呈現(xiàn)的硬度為表面硬度為800HV0.3，白亮層區(qū)域為320HV0.3，黑帶區(qū)域（屈氏體）360HV0.3，擴散層160HV0.3，基體組織區(qū)域145HV0.3，硬度的波動如圖6所示。
圖2 低碳鋼滲氮金相組織（OM圖片）
圖3 低碳鋼金相組織（SEM圖片）
圖4 γ'相金相組織（SEM圖片）
圖5 γ'及γ相分解組織（SEM圖片）
圖6 硬度-層深
溫度偏低和氣氛濃度不足時會造成γ′相生長不充分。當(dāng)溫度＜590℃時，圖7表層化合物未覆蓋完全，最厚處約6.3μm，并且γ′相層下沒有γ相的共析類組織；圖8中黑色的片條狀物質(zhì)為馬氏體加殘余奧氏體，是奧氏體的過冷組織，由于氮氣的氣氛不足所造成，因為有奧氏體的分解產(chǎn)物，說明該工藝過程中溫度＞590℃。從濃度角度考慮，表層的間隙化合物為γ′相，不是ε相。
圖7 γ′相不足產(chǎn)物（OM圖片）
圖8 γ′相不足產(chǎn)物（OM圖片）
3.2γ相組織及其分解相特征
圖9及圖10為低碳鋼表面氣體滲氮組織，白亮層和馬氏體層的X射線能譜分析（EDS）及元素含量如圖11、圖12所示。表面有極少量γ′相，白亮化合物層以γ相為主體，內(nèi)層黑色物質(zhì)為片狀馬氏體加殘余奧氏體，該種片狀馬氏體為高氮馬氏體，這種組織的形成是局部奧氏體化產(chǎn)生的，為奧氏體化后經(jīng)過快速冷卻的組織。表層殘余奧氏體較多和馬氏體未完全顯示出來，與回火不充分有關(guān)，另外，奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變由于體積膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，也會抑制其轉(zhuǎn)變。如在奧氏體冷變成馬氏體的過程中，該種異常氮化組織形成的主要原是因為介質(zhì)氣氛濃度不足造成的。這種異常組織如內(nèi)應(yīng)力過大易于產(chǎn)生變形，使零部件發(fā)生開裂。
圖9 γ分解金相組織（OM圖片）
圖10 γ分解金相組織（SEM圖片）
圖11 白亮層EDS及元素含量
圖12 馬氏體層EDS及元素含量
3.3ε金相組織及其特征
ε相是以Fe2-3N為基的固溶體，具有HCP（密排六方），氮原子濃度范圍為4.55%～11.0%，所以在穩(wěn)定的Fe-N組織中，應(yīng)該以ε相為主體，但是ε相為主的化合物層脆硬性較高，表層易剝落，為了提高其韌性，通常對表層進行調(diào)控。常規(guī)550℃滲氮表層的主要相為ε相和少量γ′相，圖13、圖14金相組織及圖15X射線衍射（XRD）譜顯示，表層主要是ε-Fe2-3N相和部分γ′相，圖13顯示基體組織完全球化，主要是由于在氮化溫度和氮化濃度較高，會引起組織奧氏體化的溫度偏低，基體組織進入球化工藝狀態(tài)。通常主要以ε相為主的白亮層組織形貌如圖16所示。
圖13 氮化金相組織（OM圖片）
圖14 表層金相組織（OM圖片）
圖15 表面XRD數(shù)據(jù)
圖16 ε相金相組織（OM圖片）
3.4α-Fe中的析出相組織特征
α相為含氮鐵素體，即氮在α-Fe鐵素體的間隙固溶體，590℃時，氮在α-Fe中的最大溶解度為0.1%。滲氮過程也就是活性氮原子不斷向基體中滲入和擴散的過程，當(dāng)?shù)釉讦?Fe鐵素體中過飽和，以間隙化合物的形式析出γ′相，有很多不同的組織形態(tài)，如針狀、顆粒狀、脈狀等。氮化物的析出位置一般為過共析鋼，在晶界析出的比較多，在金相顯微鏡和低倍掃描電鏡上顯示為針狀，如圖17、圖18所示，但實際上該組織為類似于碳化物的條狀或“刀片狀”，主要是由于在某一特定晶界析出有關(guān)，如在高倍下的圖19及圖20所示；顆粒狀、網(wǎng)狀或脈狀的析出氮化物不在晶界上，而在晶界內(nèi)，各個氮化物類同于碳化物的析出，都是孤立存在的，如圖19、圖21～24所示。
α-Fe中析出的各種相組織較為復(fù)雜，這與[N]的固溶量、擴散能力、析出條件等有關(guān)，但顆粒或網(wǎng)狀析出物沿晶面成一定規(guī)律排布，如網(wǎng)狀類似貝氏體組織的片層析出（圖22），板條狀的等距、有序排布，均顯示出了晶體的擇優(yōu)取向特性。有關(guān)文獻研究發(fā)現(xiàn)，在低溫滲氮過程中，在氮比例較小時，滲氮層組織以γ′-Fe4N相為主，有明顯的（200）γ′擇優(yōu)取向。
圖17 α-Fe中析出相（OM圖片）
圖18 α-Fe中析出相（SEM圖片）
圖19 α-Fe中析出相（SEM圖片）
圖20 α-Fe中析出相（SEM圖片）
圖21 α-Fe中析出相（OM圖片）
圖22 α-Fe中析出相（OM圖片）
圖23 α-Fe中析出相（OM圖片）
圖24 α-Fe中析出相（OM圖片）
04結(jié)論
通過大量數(shù)據(jù)研究分析了滲氮過程中的各種相的金相組織特征以及生長機理，這些資料可以作為滲氮工藝形成相組織的判定依據(jù)，并對其生長機理進行深入研究，彌補目前行業(yè)內(nèi)，滲氮工藝過程中氮化物金相組織，尤其是異常氮化組織研究數(shù)據(jù)較少的狀況。
a.表面滲氮金相組織，主要形成有3類，間隙化合物（ε相、γ′相、ζ相等）、γ相的轉(zhuǎn)變組織、α-Fe相中的析出組織（針狀、顆粒狀、脈狀或網(wǎng)狀等）。以γ′相組織為主體，分析氮化物組織的多樣性和復(fù)雜性；ζ相氮濃度變化較小，不易在檢驗中確定。
b.γ相的轉(zhuǎn)變組織多為氮化物中形成的異常組織，為含氮屈氏體、含氮馬氏體加殘余奧氏體、也有類似于貝氏體形狀，多由氮化工藝的氮勢不足所致，造成了表面化合物無法穩(wěn)定、均勻析出；這種異常組織的發(fā)現(xiàn)也會為表面氮化零部件的失效提供檢驗依據(jù)。
c.α-Fe相中的析出組織為擴散層中的氮化物，產(chǎn)生于冷卻過程，形狀較為復(fù)雜，某些形狀的析出物，如脈狀、板條狀沿晶面的有序排布，體現(xiàn)了該組織的擇優(yōu)取向，可為織構(gòu)調(diào)控方案設(shè)計提供參數(shù)。
end
來源：汽車材料網(wǎng)
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