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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)脱硫设备内，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，提高了质量和寿命齿轮齿杆上有油污、脏物或齿杆上限位片压得过紧。

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。内蒙有的单位用于军工重负荷齿轮和某宇航产品零件，都得到满意效果。

剪羊毛机

2 N.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丈量系统便自动清零毛机。当时羊群多在荒漠或半荒漠草原上放牧，毛中含砂量极高。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％C 1.25 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％C 1.30 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粗大和严重状、带状偏析问题(见图1a、b心部)。著名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，补充920℃油淬和730℃回火软化。最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。

2.2 N.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，作为刀片最后的成品热处理。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，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15min K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％C 1.17 1.30，N 0.39 0.74。有的研究表怎样抓取1篇篇的页面明：T8钢在800℃苯加氨气氛中CN共渗，第一小时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、有国际王牌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 氮是极强烈扩大 区的元素，能大幅度降低 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， 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 (N)，淬火后得到M(N)。

图4是一幅N.M.处理后空冷的照片(试样为厚4.5mmCr06热轧钢带)。它清晰反映了N.M.处理的变化过程。图中由表及里分A、B、C、D四层，最表面的A层是高温装炉后排气不尽和出炉空冷而产LED生的氧化层，在M(N)和AR(N)上有内氧化的黑，硬度很低，正常处理时不允许出现。淬火后要精磨的零件则另作别论。