应用N.M.处理消除表层过共析碳化物疵病

        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A1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*重负荷齿轮和某宇航产品零件，都得到满意效果。

    剪羊毛机

    2N.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*。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％C1.25—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％C1.30—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）。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。zui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。

    

    2.2N.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zui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15minK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％C1.17—1.30，N0.39—0.74。有的研究表明：T8钢在800℃苯加氨气氛中CN共渗，*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*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）。