通過比較氣體滲氮、高溫滲氮、鹽浴軟氮化、QPQ鹽浴復(fù)合處理、離子滲氮、氣體軟氮化、高頻滲氮和潔凈滲氮等現(xiàn)有常規(guī)滲氮工藝的技術(shù)參數(shù)及優(yōu)缺點，綜述了常規(guī)滲氮方法的應(yīng)用現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)之上，分析了稀土滲氮對滲氮層的深度影響及原理，指出了該技術(shù)的經(jīng)濟節(jié)能特性，并展望了稀土滲氮技術(shù)的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。
20世紀(jì)80年代中期以來，在生產(chǎn)上對一般采用合金鋼滲碳淬火工藝處理的一些齒輪有了較高的強度要求，以及高速度、大功率、高可靠性等要求。但經(jīng)過滲碳淬火處理后的鋼件形變量較大，還需增加后續(xù)的磨齒處理等工序，而非漸開線的齒輪要進行磨齒處理是不易實現(xiàn)的。此外，近年來由于航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展也促進了大型精密環(huán)件、薄壁件的應(yīng)用。目前這些鋼件的表面處理多采用滲碳淬火工藝，同樣存在很難最終加工成形，淬火處理后變形量較大的問題。經(jīng)滲氮處理后的工件同滲碳處理的工件相比，變形較小，能較好地解決上述問題。
作為兩種最常見的表面硬化熱處理工藝，滲氮和滲碳各有各的優(yōu)點。滲氮層的耐磨性能比滲碳層好，硬度也較高，但工藝周期比滲碳長，滲氮層比滲碳層淺(0.3～0.5mm)，承載及抗沖擊載荷能力也比較弱。試驗研究表明，深層滲氮(>0.55mm)處理可部分地替代滲碳工藝，也能有效改善滲層的抗沖擊及承載能力。
在稀土被應(yīng)用于化學(xué)熱處理以來，國內(nèi)外學(xué)者對稀土在滲氮過程中的作用進行了諸多研究，并取得了顯著成果，即在滲氮過程中添加稀土，能夠有效提高滲速和滲層硬度，使得滲層加厚，并使組織改善，因而具有催化與微合金化雙重作用。稀土對滲氮技術(shù)的發(fā)展依賴于其自身的特性，即特有的電子層結(jié)構(gòu)使其具有較強的化學(xué)活性。
稀土元素加入滲氮過程具備諸多優(yōu)點：一是可以加快滲氮的速度；二是能夠有效降低滲氮溫度；三是能夠大幅提高設(shè)備及工件夾具的使用壽命；四是能夠提高零件的彎曲疲勞、接觸疲勞強度和耐磨性等。因此，在我國齒輪滲氮中，將稀土元素引入化學(xué)熱處理工藝，使該工藝提高到了一個新水平，也使得產(chǎn)品質(zhì)量大幅提升，進而較早實現(xiàn)與國際接軌，增強國際競爭力。
1、常規(guī)滲氮工藝應(yīng)用現(xiàn)狀
滲氮是應(yīng)用廣泛的一種表面化學(xué)熱處理技術(shù)，滲氮工藝的目的是在基本不改變自身性能和工件尺寸的前提下，獲得較高的表面硬度，同時能夠改進耐磨性能，進而增強疲勞壽命。與其他化學(xué)熱處理過程一樣，滲氮的過程包括滲氮介質(zhì)分解、滲劑中的反應(yīng)、擴散、相界面反應(yīng)、滲入的氮元素在鐵中的擴散及形成氮化物。按照Fe-N合金相圖，滲氮溫度在一般情況下要低于590℃(氮的共析溫度)，滲層則由表及里依次形成ε相與α相。由于氮原子在ε相中的擴散速度最慢，因此在形成滲氮層以后，ε相將會像一道屏障一樣阻礙氮原子向內(nèi)擴散。因而，在一般情況下，滲層的增長速度會在滲氮進行一段時間后顯著下降。
2.稀土滲氮工藝
2.1、稀土滲氮的機理
稀土是包括鑭系元素和鈧(Sc)和釔(Y)等17種元素的統(tǒng)稱，這些稀土元素的活性都較強，位于鎂(Mg)和鋁(Al)之間。由于其特有的特性，被廣泛應(yīng)用在眾多領(lǐng)域。也是由于這些特性使其能夠作為熱處理的催滲劑，在化學(xué)熱處理中得到應(yīng)用。在化學(xué)熱處理中常常以鑭(La)、鈰(Ce)兩種元素為主，因為具有4f電子層結(jié)構(gòu)且化學(xué)電負(fù)性很強，如鈰(Ce)-2.48、鑭(La)-2.52，所以其化學(xué)性能比較活潑，進而使其能夠與多種非金屬產(chǎn)生較好的化合作用?？蒲泄ぷ髡哒J(rèn)為具有特殊電子結(jié)構(gòu)與化學(xué)活性的稀土元素能滲入到鋼件的表面。之所以產(chǎn)生諸多優(yōu)點，是因為稀土元素一旦滲入到鋼的表面，原子半徑比鐵原子大40%左右，會引起周圍鐵原子點陣的畸變，進而使得缺陷密度增值，即畸變產(chǎn)生新的更多的晶體缺陷，有利于氮原子吸附和擴散，從而使間隙原子在畸變區(qū)富集。稀土元素滲入到鋼件表面后，會在短時間內(nèi)讓鋼件表面形成一個高的氮濃度，從而形成一個高的氮勢和濃度梯度，使得氮原子迅速向里擴散，進而使化學(xué)熱處理過程明顯加快，且使得滲層組織細(xì)化，滲層性能得到改善。
稀土滲氮的速率大幅度增加主要因為以下幾點原因：
1)稀土元素滲入后引起缺陷密度增殖，其擴散通量J增大，致氮原子的傳遞系數(shù)大幅度增加。
2)稀土元素滲入后引發(fā)表面Fe原子點陣畸變，使其表面能增大，進而使捕捉間隙N原子的吸附能增加。
3)大量的N原子在畸變區(qū)富集使氮濃度差增大，化學(xué)能增強，致擴散速度加快。
2.2、稀土滲氮的特性
稀土在滲氮時的催滲效果要遠(yuǎn)大于滲碳的效果，這是稀土滲氮的重要特性。究其原因，是滲氮的溫度通常在α-Fe相區(qū)，稀土元素在這一相區(qū)內(nèi)的滲入阻力要遠(yuǎn)小于γ-Fe相區(qū)；另外，稀土滲入量也是影響催滲效果的主要因素。一般而言，滲入量多則催滲效果好，稀土在滲氮時滲入量比滲碳時多，因而在滲氮時的催滲效果較好。
滲氮層氮化物分布與形態(tài)是影響滲氮層硬度的關(guān)鍵。當(dāng)?shù)飶浬⒎植紩r的硬度就偏高，相反就偏低。在常規(guī)滲氮處理中產(chǎn)生的一般是片狀的氮化物，并與母相共格或半共格的氮化物。伴隨溫度的升高，氮化物不斷地累積變大，與母相脫溶，硬度也急劇下降。
稀土滲氮過程中，由于稀土的滲入使得氮化物呈現(xiàn)彌散且不均勻的分布狀態(tài)，從而使自由能急劇升高，成為間隙N原子的陷阱。同時，能夠形成亞穩(wěn)定的Cottrell氣團，這一氣團可以降低該處的能量。氮化物的形成則以稀土元素為核心，其分布也變得細(xì)小彌散。同時，它還呈現(xiàn)彌散準(zhǔn)球狀析出，進而避免產(chǎn)生脈狀組織，也避免出現(xiàn)氮化物沿晶界偏聚。此外，在一定溫度區(qū)間內(nèi)，氮化物形態(tài)不改變，其分布也不會改變，與常規(guī)滲氮技術(shù)相比，稀土滲氮技術(shù)使得氮化物的滲層硬度較高，且脆性能夠保持在0～1級。
2.3、稀土滲氮對工藝的要求
稀土滲氮具備滲層硬度較高的特性，根據(jù)這一特性，可將滲氮溫度提高10～20℃，進而更有效地促進滲速的提高。根據(jù)大量實驗的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：用同樣的溫度，稀土滲氮只能將滲速提高15%～20%，但是，在將溫度提高20℃以后，滲速則可以大幅度提高。同時，與常規(guī)滲氮技術(shù)相似，稀土滲氮也要將滲氮的氨分解率控制在合理的范圍內(nèi)，即在開始階段要采用較高的氮勢(Np)，然后在逐步降低。一般采用變溫變氮勢的兩端法可控氣氛滲氮工藝，且初期使氨氣分解率降低，氮勢增高來適應(yīng)滲氮速度加快的要求，使其大幅度增加。
2.4、稀土滲氮的經(jīng)濟效益及節(jié)能情況
采用常規(guī)滲氮工藝，一般的合金結(jié)構(gòu)鋼，滲層要求0.3mm時，保溫時間一般需要30h以上。滲層要求0.6mm時，保溫時間需要90h以上。采用稀土滲氮加入催滲劑后，一般的合金結(jié)構(gòu)鋼，滲層要求0.3mm時，在相同溫度條件下如果能夠配合使用循環(huán)加熱的保溫滲氮工藝，則保溫時間只需14h。比常規(guī)滲氮技術(shù)的保溫時間縮短16h，節(jié)省53%的用時，因而能夠節(jié)省40%用電、減少氨氣消耗約35%、減少廢氣排放約35%。滲層要求0.6mm時，可縮短保溫時間約40%。
我國是機械制造大國，采用氣體滲氮的企業(yè)數(shù)以千計，主要在機床制造、風(fēng)電傳動、航天航空設(shè)備、模具制造等行業(yè)。據(jù)估算，井式滲氮爐(以75kW計算)3000臺，全年操作按100次計算，每次通電25h，則年耗電5.625×108kW?h。使用稀土催滲劑后，可提高滲速40%，則節(jié)電2.250×108kW?h，相當(dāng)于9萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少CO2排放8萬噸。所以如果全行業(yè)在滲氮過程中采用稀土催滲技術(shù)，則有較好的“節(jié)能減排”功效。
3、稀土滲氮技術(shù)的發(fā)展
3.1、稀土滲氮重要意義
近年來，伴隨世界能源價格的普遍上漲，我國經(jīng)濟發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)，為此提出了建立創(chuàng)新型節(jié)約型國家，實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，并出臺了有關(guān)降低能耗、節(jié)約能源、減少排放以及實現(xiàn)高效延壽的有關(guān)政策。根據(jù)對稀土滲氮工藝的初步試驗可知：稀土催滲可以大幅度縮短氣體滲氮的時間，并且對于不同的鋼材顯示不同的催滲效果，一般可以縮短30%～60%左右，并且表面硬度還比傳統(tǒng)的滲氮提高50～150HV。初步計算，采用這一技術(shù)，將大幅度降低電耗，預(yù)計可使電耗降低30%～40%，并且降低滲氮廢氣的排放量，縮短工時，提高工作效率。同時鋼件也將質(zhì)量大幅度提高，抗磨損，使表面耐磨性能大大加強，強度硬度一定范圍內(nèi)增加，實現(xiàn)高效利用及延長壽命。稀土滲氮技術(shù)將會促進我國的滲氮工藝的發(fā)展。
3.2、稀土滲氮的展望
滲氮工藝具有提高零件表面硬度、提高零件耐磨性以及提高耐腐蝕性與疲勞抗力等特性能夠廣泛用于模具生產(chǎn)和動力機械等行業(yè)。滲氮是機械加工中不可替代的工藝，但是滲氮工藝還存在一些急需解決的問題，如工藝時間過長，以滲層0.5mm為例，它的用時要長達50h，如果在將輔助時間計算在內(nèi)，它的工藝時長將達3～4d。因此，這將浪費大量的工時、電耗與氨氣。為此，滲氮工藝今后的研究重點應(yīng)圍繞如下方面：一是縮短滲氮時間；二是加深滲層；三是降低能耗；四是向發(fā)展綠色經(jīng)濟方向轉(zhuǎn)變。
鑒于我國擁有豐富的稀土資源以及稀土滲氮工藝的諸多優(yōu)點，應(yīng)通過技術(shù)創(chuàng)新與推廣，發(fā)揮資源優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢，進而形成產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢和經(jīng)濟效益。材料科技研究人員應(yīng)將稀土滲氮工藝的創(chuàng)新與推廣作為研究重點，將其內(nèi)在規(guī)律和滲氮機理進行更深一步的探討。不斷進行稀土高效催化劑的研發(fā)工作，努力實現(xiàn)稀土滲氮工藝全面取代常規(guī)滲氮工藝，進而實現(xiàn)節(jié)能、減排、降耗與增效延壽效果的最大化。