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QPQ

译者的话

本文原刊于英国“HeattreatmentofMetals”杂志，题目为“氮碳共渗及其对汽车零部件设计的影响”（NitrocarburisinganditsInfluenceonDesignintheAutomativeSector）但文章所叙述的内容实际上是德国迪高沙（Degussa）盐浴氮碳共渗加氧化的处理基本相同，作者对该技术使用的商业名称为“Nitrotec”，但实际上和我们所开发的“氮碳（氧）共渗表面改性技术”异曲同工，在产品的应用上效果完全相当，因此本文介绍该技术在汽车上的应用及其对汽车设计的影响，对国内推广和应用“氮碳（氧）共渗表面改性技术”很有参考价值，为此特将此文翻译出来，供有关人员参考。

本文只供同行参考，翻译谬误之处在所难免，敬请鉴谅。

氮碳共渗及其对汽车设计的影响

C.DAWESNitrotec服务有限公司

（部分选择内部参考）

[摘要]

作者回顾了氮碳共渗的发展，这是一种黑色金属材料的化学热处理方法，由于有富氮的化合层形成，因而具有耐磨性和抗腐蚀性，而氮扩散层则提高材料的屈服强度和疲劳强度，特别对细薄件效果显著。

该工艺赋予零件以极高的抗蚀性和漂亮的外观，使氮碳共渗向镀铬提出了挑战。

80年代在汽车工业得到广泛和成功的应用，产品从轮轴轴承到保险杠，使用该工艺可以获得独特的综合性能并能降低成本和减轻重量，由于采用先进的设备和工艺材料可以极大地减少对环境的污染。

一、前言

在表面热处理家族中，氮碳共渗独树一帜，这不仅由于它能提供独特的性能结合，而且有着许多的名称和专利，在过去40年里一直引人注目。

该工艺起源于法国的盐浴铁素体处理并于1947年传人英国，当时的贸易名称为“Sulfinuz”，随后经多年探索发现亚硫酸纳能活化氰化物生成氰酸盐，从而导致引入强制通气法并命名为“Tufftride”和“活性氮化”。

这些仅局限于氰化物，采用空气搅拌，将氰化物氧化成氰酸盐，以产生所需要的氮势，而不象“sulfinuz”法那样有表面沉积形成，还需增加一道后处理的清洁工序，另一种易使人混淆的原因是一种被人称之为“液体氮化”的盐浴处理的存在，这种方法是用以氰化物为基盐的盐所产生低含量的氰酸根，用来处理工具钢在表面形成硬的合金氮化物，这种类型的盐浴因其氮势太低，故对非合金钢不起作用。

在50年代后期引入密封淬火炉，由于具有生产效率高的优点，从而导致气体氮碳共渗的开始。

模拟氨气氛，对氮化合金钢进行处理，对碳素钢则无效，但若增加载气包括CO，CO2的含量，则可形成类似于盐浴处理的化合物层，该化合物层含有8％的氮和1％的碳，定义为ε—铁氮化合物，对气体氮碳共渗的早期研究于1961年第一次专利申请而告一段落。

一般的密封淬火炉在570℃工作时形成的化合物层存在不均匀的现象，并且存在易爆炸性，因而其商业应用并没有得到积极响应，然而后10年，衍生了许多商业化的贸易名称，诸如Nitemper，Oxycad，Trinding等等。

到60年代，为消除含氰废物的公害，从而增加成本，同时由于气体氮碳共渗技术的竞争，进而开发了新的盐浴处理技术，如Sursulf，和TufftrideTF1，但二者均没有可以除掉氰化物的后序工序。

到1970年，各种想象的商业名称变得近乎荒谬，在德国曾将认为是低温碳氮处理。

这种状况使得国际材料热处理联合会术语委员会为其作如下定义：

铁素体氮碳共渗是一种“热化学处理，它以N和C在黑色金属材料表面进行富集，其中氮占主要成份，表面化合物层以下是扩散区”。

这一定义不排除r′铁氮化合物层的形成，这种氮碳共渗的概念不是以形成单相的ε层为目的的。

图1表明：

在铁素体氮碳共渗开成的ε层中，氮是主要元素，在奥氏体碳氮共渗形成的马氏体层中，碳是主要元素。

二、碳和氧的作用

碳和氧对ε层的形成和质量分别起作相应的作用。

在盐浴处理中，从氰根

图1氮碳共渗和碳氮共渗的比较

到氰酸根碳总是存在的，在用气体处理时，碳仍然存在并与氧结合，渗层中的碳不会影响其技术特性，然而存在于钢表面的渗碳反应确实影响着氮化动力学，因此对ε层的孔隙度有影响。

在对负压处理的研究中发现了氧存在的重要性，在化合物层形成以前通过晶粒边界渗透并将气氛的氧含量从0％增加到2％，可显著地改善渗层的均匀性和增加渗层深度。

大量的实践和数据证明，对不含碳的体系能得到成功的处理结果，但无氧的体系却不能得到满意的渗层。

三、ε层形态的控制

用传统的工艺方法不控制氧含量，生成的铁氮化合物层当其厚度超过5-7μm时，就有孔隙形成，在盐浴处理中，孔隙的形成是盐中溶解铁的介质腐蚀侵蚀的结果，它明显不同于气体氮碳共渗，其孔隙是由氮原于在渗层适当的位置如晶界

处结合成氮分子而形成的，因此用盐浴处理比用气体处理形成的疏松少。

为获得最佳的表面结构和化学成份以满足大量的应用要求，还有许多工作有待开发和研究。

图2表示的是三种不同类型的表层形态。

图2氮碳共渗所具有的勾层类型

（a）无孔隙（b）海绵状孔隙（c）柱状孔隙

尽管一些应用要求无孔隙的厚的ε层，如图a；而另一些应用场合则要求得到最佳抗腐蚀性，这样便需要有海绵状孔

隙的表面层，如图b；对于在润滑条件下

要求耐磨，表层需要有储油特性，这时有

柱状孔隙的表面层是有利的，如图C。

四、寻找突破口

直到大约10年前，氮碳共渗的应用才有所增加，其主要用来改善零件表面的耐磨性和抗疲劳性能，最著名的例子是曲轴，图5。

主要的商业应用源于用氮碳共渗这一道工序代替至少两个传统工序，从而使其在经济成本上更具竞争力。

开发的关键要素如下：

1）

利用氮化后的氧化处理，提高零件

的抗腐蚀性和美化外观。

2）利用能强化薄板零件的潜力。

3）将工艺应用于微合金化钢。

4）

图5经Tuehdde处理的Japlx曲轴

提高亚表面硬度以承受点集中负荷

应力。

这些氮碳共渗的新观点由于能减轻重量，保护环境，改善安全性，因而对于汽车行业长期广泛的发展目标起着重要的促进作用。

表1是氮碳共渗与其它工艺的性能比较，由此可看出该工艺具有降低成本的优点，可以代替渗碳淬火与防腐蚀处理二道工序。

表1：

各种表面处理性能和成本的比较

各种处理

强度增加

（低合金钢）

表面

硬度

（Hv）

盐雾腐蚀

时间（h）

（ASTMB117）

每单位面积处理成本，以镀锌园柱体为指数

屈服

疲劳

渗碳

3—6倍

>3倍

900

<20

1～2

氮碳共渗

3—4倍

>4倍

>1000

<20

2～3

氮碳共渗+氧化

3—4倍

>4倍

>1000

>250

2～3

镀硬铬（电镀）

—

—

900～1000

120

18～36

镀镍（化学镀）

—

—

550～1000

100～250

22～28

电镀镍

—

—

120～400

>250

14～20

电镀锌（10μ）

+钝化

齿条

—

—

很软

150～200

2

柱体

—

—

很软

150

1

1、提高抗腐蚀性和美化外观

1973年的石油危机导致汽车生产要求减轻车身重量并提高性能；环境保护要求取消有污染的工艺，如镀锌、镀铬，由于氮碳共渗能提高零件的抗腐蚀性和美化工件外观，因而应用得到推广。

研制的氧化工艺和有机密封剂，当用于铁氮化合物层这一特殊的成份和结构

上时，显著提高了抗盐腐蚀性并美化工件外观。

Degussa公司率先在盐浴处理后使用后氧化处理，在研制低氰根盐浴过程中，

该公司的工人们用氧化盐浴冷却工件并中和氰化物，同时伴随形成了黑色美观的

表面，明显地改善了抗盐腐蚀性，这一过程称之为“TufftrideQ”。

然而，由于氧化盐的工作温度为350℃，这一工艺不能充分发挥氮在饱和固溶体中的间隙强化作用，尤其是低碳钢。

为获得最佳抗腐蚀性，应考虑利用表面多孔性并注入防腐蚀的密封剂。

这一过程称之为NITROTEC，其起源于处理的三阶段：

氮碳共渗／氧化／保护。

即NITRocarburising／Oxidising／proTECtion。

2、利用薄板零件的强化潜力

一般来说，氮碳共渗适用于所有的黑色金属包括铸铁，虽然对不锈钢的处理不太尽如人意，但当对抗磁性和耐磨性要求超过抗蚀性时，仍要采用该工艺。

然而，直到80年代，氮碳共渗应用于薄壁零件才得到认可。

碳钢在氮碳共渗后迅速冷却，在表面ε层下面大多数扩散进入铁点阵中的氮仍保留在饱和固溶体中，因而提高了基体材料屈服强度和疲劳强度。

氮扩散层的性质不取决于共渗介质的类型而是受到扩散层深度和氮碳共渗

后冷却速率的控制。

在薄壁区屈服强度的提高最显著，但这种处理对低碳钢不利，当加热温度超过150℃后其强度要降低，因此在使用时必须考虑这二因素。

见图7说明。

3、应用微合金化钢

近年来由于IF钢（Interstitial-Freesteel）和低合金高强度（HSLA）的出现，因其优良的成型性和深拉特性，引起了人们的极大关注，对这些钢种，用氮碳共渗处理可以获得优良的性能结合，微合金化钢含有少量的强氮化物形成元

图7：

低碳钢经氮碳共渗淬火后强度分布图

素，如Nb、Ti、V等，在氮碳共渗及冷却后，除了铁晶格中氮原子的间隙固溶强化外，还有析出硬化的效应，这种硬化比一般的低碳钢具有更高的抗回火软化能力。

对IF钢而言，氮化物析出硬化的效果比间隙强化明显，这样与其它钢相比具有更深的表面硬化现象。

如图8所示。

除非加热温度超过500℃，否则不会发

生回火软化现象，很好地满足了加工要求。

离表面的距离mm

图8：

570℃，90分钟氮碳共渗后，钢种成份对硬度分布的影响

利用薄板钢的另一个优点是氮碳共渗后冷却速率的临界值更少，对IF钢，有时

炉冷便能获得完全淬硬，对减少变形有利。

五、设计要求与氮碳共渗相结合

表2是作者根据自己的经验列出的一些应用实例，因此只代表一小部分应用范围，由于商业竞争的原因，对汽车工业来说不情愿泄漏产品信息，从表2可看出，所有的应用都采用了3个或3个以上氮碳共渗性能的特点i而尺寸控制是所有设计均需要的，这不足为奇，因为该处理是使用前的最后一道工序，不允许尺

寸改变和校正变形。

表2是设计性能要求对应用的选择

性

应能

用

耐磨性

抗划性

屈服强度

疲劳强度

承载特性

抗蚀性

表面光洁度

外观状况

尺寸控制

扭转盘

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座位滑动器

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刹车控制系统

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保险杠

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螺旋齿轮

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轴套

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传动齿

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门锁

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挡风玻璃摇臂

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气簧活塞

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悬挂支杆活塞

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发电机冷却风扇

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风扇电机

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扬声器

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防晒传动器

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1）

扭转盘

图10扭转盘（a）粘性控制单元（b）

第一个例子是扭转盘，（图10a），厚度约为0．4~0．6mm，用于粘性滑动的差动装置中，（图10b），这些盘装在一壳体内并分别安装在传动轴和壳体上，壳体内充满粘性流动液体，当传动轴相对壳体旋转时，在相邻两盘之间由于速度不同而在粘性液体中产生剪力，并随着速差的增加而增加，于是轴与壳体之间的扭矩加大。

该原理的专利人为Ferguson，由于VisodriveGmbH商业化，用于控制电力机

车及四轮

载人轿车。

扭转盘原生产工艺为化学镀镍，而现

在用氮碳共渗+氧化的处理技术可以大量

节约成本，原来加工一个盘，现可以处理40个盘。

2）座位滑动器

第二个例子是座位滑动器，图11是由Rockwell国际公司出品的用于RenaultR25

图11Renault25座位滑动器

车的座位滑动器。

车辆座位滑轨一般由低

碳钢制造并喷漆，在随后的装配过程中要

涂抹大量的油脂，无论是司机或乘客，一旦

触摸其状苦不堪言，由于淬硬钢球在滑轨上来回移动因而会在导轨上产生凹痕，尽管对手动调节来说影响不是太大，但就目前上市的车辆，其座位均是电动调节，轨迹上任何凹痕的存在，座位调节的平稳性就要受到明显影响，此外，滑动器现已成为安全装置的关键所在，因此对强度有要求。

通常的表面淬硬技术，如碳氮共渗或渗碳，变形太大，而且还需要最后的表面涂层以防腐蚀。

在处理过程中控制给定的Nitrotec处理的工艺参数，得到特殊的基体硬度分

布，以保证抗压痕产生，并能提高屈服强度，而且表面化合物层还具有耐磨、耐蚀的特点，并能获得黑色悦目的外观。

3）刹车控制系统

LucasGirling公司设计了一种低成本前轮防滑系统用于前轮驱动轿车在刹车时仍能维持方向控制。

该系统设计时就考虑用Nitrotec处理，幸亏有此工艺，否则其它表面处理技术都会带来尽寸变化问题。

必须用后处理工序来保证尽寸，而且

处理，这必将增加成本并进一步产生尽寸控制问题。

在防滑系统中有五种零件需要进行Nitrotec处理，但最主要的零件是模数飞轮，它可显示该处理工艺最典型的特性。

图12Lucas刹车控制系统

这一装置涉及包括一个淬硬钢球在内的滑道机构，用氮碳氧复合处理满足了基体抗钢球压痕的要求，而ε层可以

提高耐磨性，同时提高抗滚动接触疲劳，于是避免了滑道的摩擦腐蚀，此外，化合物层能满整个抗腐蚀性要求，提高了孔径的耐磨性并达到对尺寸的精确控制。

4）保险杠

现今保险杠是由塑料外盖，吸收泡沫和金属芯所构成，如今交通法规规定在发生低速碰撞时（即在欧洲5km/hour，美国8km/hour）不应有结构损坏，今与本田（Honda）公司联合开发的新Rover800系列车在设计时就必须满足这一规定。

遗憾的是屈服强度为450MPa的高强度结构钢难以加工，而且必须用2．5mm厚的材料才能满足欧洲规定。

应力分析表明，氮化强化，对厚度为1．5mm的薄板，经Nitrotec处理后，其屈服强度可由原来的200MPa提高到600MPa，此外赋予表面以高硬度，而心部韧性妊避免了脆性断裂，同时具有抗腐蚀和变形小的特点。

由Lucas和Rover合作开发的保险杠，

图13Rove保险杠

长度1500mm，宽为200mm，由1．5mm厚的IF钢制造，经Nitrotec处理后，能承受5km/hour冲击，因而满足了欧洲指令设计标准，如图13所示。

采用Nitrotec处理后，前后保险杠最终的重量，包括所有支架，分别为6．6kg和7．0kg，每部车减轻重量11．9kg。

这种生产方法正用于1990地铁和所有系列英式设计的Rover车型，包括出口的Rover800型，原先的铝质保险杠现已用IF钢重新设计以满足美国8kg／小时抗冲击要求。

5）螺旋齿轮

图14是一个常啮合的螺旋驱动小齿轮，为减少噪音，对齿形有严格的精度

图14Lucas螺旋驱动齿轮图15驱动齿轮和轴套配件

要求，而热处理只有氮碳共渗能满足这种严格的公差要求，除此以外，还能提高在中等应力状态下的疲劳强度和耐磨性，因而用价廉的中碳钢就能保证其工程特性。

6）轴套

图15中显示的齿轮，通常和价格昂贵青铜轴套配合动作，试验表明对厚度为：

0．725mm的钢轴套（A）可以用

0．475mm（B）的经氮碳共渗后的低碳钢轴套代替，这就允许提高齿轮的齿根部位，因此可改善其操作性能。

图16车辆轮轴轴承

这种方法已应用于Nissan车型的轮轴轴承，其目的在于代替铜合金轴承，图16图示了一系列

的轮轴轴承。

7）

垂直驱动传动齿轮

图17中显示的是新型RoverDiscovery柴油发

动机中的驱动齿，用来驱动凸轮轴使其运动传递

给油泵，将水平面内的高速旋转运动变成垂直的

高速旋转运动，由于接触面小，因而对耐磨性要

求高，单纯的表面淬火或氮碳共渗均不能满足其

工程性能要求，然而将二者性能相结合即由完全

淬硬的马氏体表层+表面的ε层（如图9所示），

就可保证齿轮的平缓跑合和长久耐磨性要求。

图17LandRover垂直驱动传动齿轮

离表面的距离．μm离表面的距离．μm

图9低温和高温奥氏体氮碳共渗的显微组织和硬度分布的比较

8）门锁

Nitrotec处理技术在设计时就用来直接代替锁身的镀锌，所有Rover车型的锁均由RockweU国际公司生产，原来的加工工序为：

1）制造；2）插孔；3）镀锌；4）攻螺纹。

加工中必须解决积留在螺纹中的杂散镀锌层的问题，此外还带来有关的质量问题，主要由于在使用过程中因氧化锌的形成而导致的锁紧机构堵塞。

用Nitrotec处理工艺可将生产工序作如下调整：

1）制造；2）插孔并攻螺纹；3）Nitrotec处理

采用这种工艺避免了重新装夹操作，从而也降低了成本，虽然针对锁这种产品来说用Nitrotec处理和镀锌的成本差不多，但整个的节约在于采用了更有效的工艺路线，更进一步说是解决了质量问题，避免了堵塞生产。

由该产品所获得的经验表明：

Nitrotec处理工艺已用于后续设计阶段，利用氮的强化特性

图18Jaguar门锁

可以减小材料厚度，从而减轻重量及节约材料。

9）挡风玻璃摇臂

该例说明了利用基本原理对产品进行成套设计，其结果是成功的，用Nibotec处理工艺实现了产品所有的性能要求。

图19表明了常见的挡风玻璃摇臂系统的五个组成部分。

a）摇摆连杆系统；

b）驱动杆；

c）后板；

d）端面电机盖；

e）支承板

除摇摆连杆的轴是不锈钢外，其余所有件均由低碳钢冲压而成，随后镀锌，钝

化以达到抗盐腐蚀250小时的能力。

对设计要求的审查表明，利用Nitrotec处理工艺提高了材料的强度的，可将材料厚度从2mm降低至0．5mm，而仍能保证其相同的工程驱动能力，与原工艺相比采用这种方法可节省材料68％，然而为保证驱动杆的刚性要求，必须在边凸缘处用园型材，也就是说用稍宽一些的带料，此外，在每一连接杆端部插孔处的每个承载表面，还必须利用多孔的铁氮化合物层所具有的储油特性和防划伤特性，因此节省了烧结铜轴承的成本和生产操作过程。

将氮化氧化和淬火相结合，加上特殊的化合物层成分和厚度，获得所要求的外观以及能承受250小时盐雾腐蚀，利用所具有的耐磨和抗腐蚀特性，最终可用氮碳共渗的低碳钢芯轴代替不锈钢芯轴。

10）气簧活塞

图20典型的气簧活塞，由DegussaTufftride工艺处理

活塞杆传统的生产工艺是用镀硬铬的低碳钢棒加工而成，由于镀铬成本高，镀层质量差以及达不到设计所要求的黑色表面，因此要求取替镀铬的压力愈来愈大。

Degussa公司率

先用他们的Tufftride工艺进行处理，将在未浸油状态下的耐蚀性从40小时提高到120小时，试验按ASTMB117中性盐雾试验标准进行。

后氧化处理赋予产品黑色悦目的外观。

（见图20）。

11）悬挂支杆活塞

与气簧相比，对汽车悬挂支杆活塞的设计要求更为严格，特别要求抗压痕性，疲劳强度和弯曲强度。

传统的工艺方法是中碳钢高频淬火后镀硬铬，如果用Nitrotec处理会导致感应淬硬区回火软化，降低硬度；然而据我们的经验，Girling

支杆能满足高性能FordEscort车的要求（图21），最终的工程性能是合适的，这是因为氮的强化作用补偿了感应区硬度的降低，在高频淬火后用氮碳氧复合处理仍能满足抗疲劳性能

图21FordEscort悬挂支杆

的要求。

12）发电机冷却风扇

发电机风扇是Nitrotec工艺解决存在于使用中的设计问题的又一例，对于大功率发电机，在工作时产生高温，因此需要有效的空气冷却，而冷却效率则受到在高速离心旋转时扇叶弯曲程度的影响，用Nitrotec处理的目的在于提高扇叶的稳定性和疲劳强度，满足外观要求及控制尽寸，并没有增加成本。

13）风扇电机

用Nitrotec工艺进行全新设计的另一个例子是散热器风扇电机（图22），用一种处理工艺实现所有的性能要求，设计目标为：

1）用新的设计概念提高在不利操作环境中的承载性能；

图22散热器风扇电机体：

用氮碳氧复合处理工艺新的设计

（1）与原设计

（2）的比较

2）减少零部件数量并能保证有高的工程

性能；

3）降低精加工成本而获得悦目的外观；

原先的设计结构如图（ii）所示，其组成为：

一个未经处理的通筒，在筒的一端，有一个未密封的滚珠座圈放置在涂锌的钢体端面板上，另一端为烧结铜自调节轴承放置在镀锌的钢体端板上。

主要的节约在于采用Nitrotec工艺后，可用薄规格的材料来重新设计端面板，而轴承就可用简单的插孔来代替如图（i），同时简体也必须用氮碳共渗处理来满足在不利工作环境中所需的工程性能。

整个零件的外观和抗蚀性要求用氧化工艺与密封剂来满足。

一个更进一步的好处是利用多微孔的铁氮化合物层具有优良的粘结物性，用来粘结铁氧体磁体，钢经Nitrotec处理后比未处理或镀锌具有更大的界面强度。

14）扬声器

在应用中存在三个特殊的设计目的：

1）减少零部件数量便于利用自动装配技术；

2）省略额外的精加工工序；

3）减轻重量。

重新设计扬声器时压缩了零件

数量，（见图23），由于零件经

Nitrotec处理后具有极好的防卡塞

特性，因此去掉了壳体与隔膜片之

间的垫圈，这样便可采用自动装配

技术，一个有趣的现象是通过氮对

图23汽车扬声器：

新设计

（1）与原设计

（2）的比较

铁素体的强化作用，使扬声器产生

更美妙的音调频率，这样依次类推

下来，通过缩小尺寸，可节省重量50％。

15）防晒传动器

图24所示的传动器用于Jaguar防

晒机构中，由于氮碳共渗具有不变形的

优点，可以将所有的零部件焊接和铆接

成两个相对复杂的子部件，在经氮碳共

图24Jaguar防晒传动器

渗处理前即形成一个高强度产品，由于

轴和轴套都要进行氮碳共渗处理，因而

在动作时可以相互接触，不必采用单独的轴承，因此实现了进一步的节约。

图24中有一钢制偏心驱动件，用氮碳共渗的目的是获得特有的承载表面，由此可省略4种烧结轴承。

六、氮碳共渗在今后十年的应用状况

1、将来主要的应用领域

下面列举的是氮碳共渗已经应用得非常成功的典范，其在世界范围的年产量为：

曲轴230万件

凸轮轴575万件

气簧6900万件

气门34500万件

扭转盘7500万件

然而，以上例子并未涉及生产中节省零件重量这一领域，氮碳共渗在Rover保险杠上的应用提供了在这一领域内成功应用的实例，它表明用这种处理方法可以满足严格的强度要求，节省重量及抗腐蚀，同时还能扩大到对大零件进行处理。

图25正在处理的Rover保险杠

图25表示的是正在处理的保险杠。

可以相信，通过减轻零件重量，提高材料强度，在汽车工业存在相当的应用潜力，对于主要的框架和外壳，用低成本的材