【行业资讯】7075 铝合金表面渗氮工艺研究报告

一、引言

1.1 研究背景

7075 铝合金凭借其高强度、低密度的特性，在航空航天、汽车制造等众多领域中占据重要地位。然而，其较低的表面硬度、有限的耐磨性与耐腐蚀性，极大地限制了它在特定工况下的应用。表面渗氮工艺作为一种有效的表面强化手段，能够在铝合金表面形成具备高硬度、良好耐磨性和耐腐蚀性的渗氮层，从而显著提升铝合金的综合性能。因此，深入研究 7075 铝合金表面渗氮工艺具有极其重要的现实意义。

1.2 目的与意义

本研究旨在全面且深入地探究 7075 铝合金表面渗氮的最佳工艺参数，精准明确不同工艺条件对渗氮层组织结构、硬度、耐磨性以及耐腐蚀性等性能的影响规律。通过本研究，期望能够为 7075 铝合金在更广泛领域的应用提供坚实的技术支撑，同时也为进一步优化铝合金表面处理工艺奠定深厚的理论基础。

二、7075 铝合金概述

2.1 成分与特性

7075 铝合金主要合金元素包含锌、镁、铜等。其中，较高含量的锌元素能够显著增强铝合金的强度；镁元素不仅可提升合金的硬度与强度，还能改善其加工性能；铜元素则有助于提高合金的强度、硬度以及耐腐蚀性。该合金具备高强度、良好的韧性与抗疲劳性能，以及出色的热加工性能。然而，其表面硬度相对较低，在摩擦环境中容易出现磨损现象，并且在一些腐蚀性介质中，其耐蚀性仍有待进一步提升。

2.2 在各行业的应用

在航空航天领域，7075 铝合金常用于制造飞机的大梁、机翼、起落架等关键结构部件。其高强度与低密度的特点，能够有效减轻飞机重量，进而提高飞行性能。在汽车制造行业，常用于制造汽车轮毂、发动机零部件等，有助于提升汽车的整体性能与燃油经济性。在电子设备领域，可用于制造笔记本电脑外壳、手机框架等，既保证了产品的结构强度，又兼顾了美观与轻便性。

三、表面渗氮工艺原理剖析

3.1 渗氮基本原理

表面渗氮工艺是将氮原子引入金属表面，使其与金属发生化学反应，从而形成硬度高、化学稳定性良好的氮化物层。在渗氮过程中，氮原子通过扩散进入铝合金表面，首先在表面形成吸附氮原子。随着时间与温度的作用，氮原子逐渐向内部扩散，并与铝合金中的金属原子（如铝、镁、锌等）形成相应的氮化物，如 AlN、Mg₃N₂等。这些氮化物具有高硬度和良好的化学稳定性，从而有效提高了铝合金表面的硬度、耐磨性与耐腐蚀性。

3.2 常见渗氮方法介绍

3.2.1 气体渗氮

气体渗氮是将工件置于含有氨气等含氮气体的密封炉内，在一定温度和压力下，氨气分解出活性氮原子，氮原子被工件表面吸附并向内部扩散形成渗氮层。其工艺流程通常涵盖工件预处理、装炉、升温、保温渗氮、降温出炉等步骤。气体渗氮的优点在于设备简单、操作便捷、成本较低，且渗氮层质量较为均匀。然而，其缺点是渗氮速度较慢，生产周期长，对于复杂形状工件的渗氮效果可能不太理想。

3.2.2 离子渗氮

离子渗氮是在低真空环境下，利用工件（阴极）和阳极之间的辉光放电，使含氮气体（如氮气、氨气等）电离产生氮离子。氮离子在电场作用下高速轰击工件表面，将动能转化为热能，使工件升温，同时氮离子被吸附并渗入工件表面形成渗氮层。离子渗氮的优点是渗氮速度快、生产周期短，能够精确控制渗氮层的厚度和性能，对复杂形状工件的渗氮效果良好，并且节能、环保。但其缺点是设备投资较大，操作技术要求较高。

3.2.3 其他渗氮技术简述

盐浴渗氮是将工件浸入含有氰盐、氰酸盐等的盐浴中，通过化学反应使氮原子渗入工件表面。该方法渗氮速度较快，但盐浴的成分控制较为复杂，且存在环境污染问题。此外，还有等离子体渗氮、气体脉冲渗氮等新兴渗氮技术。其中，等离子体渗氮可实现低温快速渗氮，气体脉冲渗氮能更精确地控制渗氮过程，它们在不同程度上各自具备独特的优势。

四、7075 铝合金表面渗氮工艺研究现状

4.1 国内外研究进展

国内外学者针对 7075 铝合金表面渗氮工艺展开了大量的研究工作。在工艺优化方面，通过不断改变渗氮温度、时间、气体成分等参数，深入探究其对渗氮层性能的影响规律。在渗氮技术创新领域，持续探索新的渗氮方法，例如复合渗氮技术（将离子渗氮与气体渗氮相结合），以充分发挥不同渗氮方法的优势。在性能研究方面，深入分析渗氮层的组织结构、硬度分布、耐磨性、耐腐蚀性等性能，取得了一系列丰硕的成果。

4.2 现有研究的不足

尽管已有大量的研究成果，但目前仍存在一些不足之处。在工艺稳定性方面，部分渗氮工艺的重复性和稳定性有待进一步提高，难以满足工业化大规模生产的严苛要求。在渗氮层与基体的结合强度方面，虽然已经取得了一定的进展，但仍需进一步提升，以有效防止渗氮层在使用过程中出现剥落现象。此外，对于复杂形状工件的渗氮均匀性问题，尚未得到彻底解决。

五、实验部分

5.1 实验材料

本实验选用 7075 铝合金板材作为研究对象，其化学成分（质量分数）为：Zn 5.6%，Mg 2.5%，Cu 1.6%，Fe 0.5%，Si 0.4%，余量为 Al。实验前将铝合金板材切割成尺寸为 50mm×25mm×5mm 的试样，并对其进行打磨、抛光处理，以确保表面平整光洁。

5.2 实验设备

采用气体渗氮炉进行渗氮处理，该炉配备有温度控制系统、气体流量控制系统以及压力监测系统，能够精确控制渗氮过程中的各项参数。同时，使用扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射仪（XRD）、显微硬度计等设备对渗氮后的试样进行组织结构分析、相组成分析以及硬度测试。

5.3 实验方案

本实验主要研究渗氮温度、时间和气体成分对 7075 铝合金表面渗氮效果的影响。具体实验方案如下：

5.4 实验步骤

1.试样预处理：将打磨、抛光后的试样依次用丙酮、酒精进行超声波清洗，去除表面的油污和杂质，然后在 10% 的盐酸溶液中浸泡 5min，以去除表面的氧化膜，最后用去离子水冲洗干净并吹干。

2.渗氮处理：将预处理后的试样放入气体渗氮炉中，密封炉体。先通入氮气，将炉内空气置换干净，然后升温至设定的渗氮温度。到达温度后，通入按比例混合的氨气和氮气，开始保温渗氮。渗氮结束后，停止通入氨气和氮气，继续通入氮气进行冷却，待炉温降至室温后取出试样。

3.性能测试：

◦硬度测试：使用显微硬度计在渗氮试样的表面沿垂直方向进行硬度测试，加载载荷为 200g，加载时间为 15s，每个试样测量 5 个点，取平均值作为表面硬度。

◦渗氮层厚度测量：将渗氮后的试样进行金相切片，经腐蚀后在光学显微镜下观察渗氮层的形貌，并测量渗氮层的厚度。

◦耐磨性测试：采用球盘式摩擦磨损试验机对渗氮前后的试样进行耐磨性测试。试验条件为：载荷 20N，转速 200r/min，摩擦时间 30min，对偶件为直径 10mm 的 Si₃N₄陶瓷球。通过测量磨损前后试样的质量损失来评估其耐磨性。

◦耐腐蚀性测试：采用电化学工作站对渗氮前后的试样进行极化曲线测试，测试溶液为 3.5% 的 NaCl 溶液。通过分析极化曲线的腐蚀电位和腐蚀电流密度来评估试样的耐腐蚀性。

六、实验结果与讨论

6.1 渗氮层组织结构分析

通过 SEM 观察发现，不同工艺参数下制备的渗氮层组织结构存在明显差异。在较低温度和较短时间下，渗氮层较薄，且组织结构较为疏松。随着渗氮温度的升高和时间的延长，渗氮层厚度逐渐增加，组织结构变得更加致密。当渗氮温度过高或时间过长时，渗氮层中可能会出现粗大的氮化物颗粒，导致渗氮层的脆性增加。

XRD 分析结果表明，渗氮层主要由 AlN、Mg₃N₂等氮化物相组成。随着渗氮温度的升高，AlN 相的衍射峰强度逐渐增强，表明 AlN 相的含量逐渐增加。这是因为在较高温度下，氮原子的扩散速度加快，有利于 AlN 相的形成。

6.2 硬度测试结果与分析

图 1 为不同渗氮温度和时间下试样表面硬度的变化曲线。从图中可以看出，随着渗氮温度的升高和时间的延长，试样表面硬度逐渐增加。当渗氮温度为 500℃，时间为 6h 时，试样表面硬度达到最大值约 800HV。继续升高温度或延长时间，硬度增加趋势变缓，甚至出现下降趋势。这是因为在过高的温度下，铝合金基体组织发生变化，晶粒长大，导致基体的强度和硬度降低，同时渗氮层中可能出现疏松等缺陷，从而降低了表面硬度。

不同气体成分对试样表面硬度也有一定影响。当氨气比例增加时，试样表面硬度略有提高。这是因为氨气分解产生的氮原子浓度增加，有利于氮化物的形成，从而提高了表面硬度。

6.3 渗氮层厚度测量结果与分析

图 2 为不同渗氮温度和时间下渗氮层厚度的变化曲线。可以看出，渗氮层厚度随着渗氮温度的升高和时间的延长而增加。在相同时间内，温度越高，渗氮层厚度增加越快。这是因为温度升高，氮原子的扩散系数增大，扩散速度加快，从而促进了渗氮层的生长。当渗氮时间达到一定程度后，渗氮层厚度的增长速度逐渐减缓，这是由于氮原子的扩散阻力增大所致。

6.4 耐磨性测试结果与分析

图 3 为渗氮前后试样的磨损量对比图。可以明显看出，渗氮后的试样磨损量显著降低，耐磨性得到大幅提高。这主要是由于渗氮层具有高硬度和良好的组织结构，能够有效抵抗摩擦过程中的磨损。在不同工艺参数下，耐磨性也存在差异。一般来说，渗氮层硬度越高、厚度越大，试样的耐磨性越好。

6.5 耐腐蚀性测试结果与分析

极化曲线测试结果表明，渗氮后的试样腐蚀电位明显正移，腐蚀电流密度显著降低，说明渗氮后 7075 铝合金的耐腐蚀性得到了显著改善。这是因为渗氮层中的氮化物具有良好的化学稳定性，能够阻止腐蚀性介质与铝合金基体的接触，同时渗氮层的致密性也有助于减少腐蚀介质的渗透。

七、工艺优化策略探讨

7.1 基于现有问题的优化方向

针对当前工艺稳定性不足的问题，可进一步优化渗氮设备的控制系统，提高温度、气体流量等参数的控制精度。同时，加强对操作人员的培训，规范操作流程，以确保工艺的重复性和稳定性。为提高渗氮层与基体的结合强度，可探索在渗氮前进行适当的预处理工艺，如表面微弧氧化等，改善表面状态，增加渗氮层与基体之间的机械咬合和化学键合。对于复杂形状工件的渗氮均匀性问题，可采用辅助工装或改进气体流动方式等方法加以解决。例如，设计特殊的工装夹具，使工件在渗氮过程中能够均匀受热和接触气体；优化气体分布装置，确保气体在炉内均匀流动。

7.2 新技术与方法的应用前景

复合渗氮技术将不同渗氮方法的优势相结合，有望进一步提高渗氮效果。例如，先采用离子渗氮快速形成一定厚度的渗氮层，再通过气体渗氮进行扩散处理，使渗氮层更加均匀、致密。此外，纳米技术在渗氮工艺中的应用也具有广阔前景。如利用纳米催化剂促进氮原子的扩散，提高渗氮效率和质量；采用纳米涂层技术，在渗氮层表面制备一层纳米保护膜，进一步提高其耐磨性和耐腐蚀性。

八、结论

1.本研究系统地研究了 7075 铝合金表面渗氮工艺，明确了气体渗氮、离子渗氮等常见渗氮方法的原理和特点。通过实验探究了渗氮温度、时间、气体成分等工艺参数对渗氮层组织结构、硬度、耐磨性和耐腐蚀性的影响规律。

2.实验结果表明，随着渗氮温度的升高和时间的延长，渗氮层厚度和硬度增加，但过高的温度和过长的时间会导致渗氮层出现缺陷，降低性能。适当增加氨气比例可提高表面硬度。渗氮后 7075 铝合金的耐磨性和耐腐蚀性得到显著改善。

3.针对现有工艺存在的问题，提出了优化方向，包括改进设备控制系统、探索预处理工艺和优化工装等。同时，展望了复合渗氮技术、纳米技术等新技术在 7075 铝合金表面渗氮工艺中的应用前景。未来研究可进一步探索新型渗氮技术和工艺，加强对渗氮微观机制的研究，开发定制化的渗氮工艺，以拓展 7075 铝合金的应用范围。