渗氮（化学热处理工艺之一）

原理应用

渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性。与渗碳工艺相比，渗氮温度比较低，因而畸变小，但由于心部硬度较低，渗层也较浅，一般只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有一定耐热、耐腐蚀要求的机器零件，以及各种切削刀具、冷作和热作模具等。渗氮有多种方法，常用的是气体渗氮和离子渗氮。

钢铁渗氮的研究始于20世纪初，20年代以后获得工业应用。最初的气体渗氮，仅限于含铬、铝的钢，后来才扩大到其他钢种。从70年代开始，渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善，适用的材料和工件也日益扩大，成为重要的化学热处理工艺之一。

气体渗入

一般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的表面硬度。它适用于38CrMoAl等渗氮钢。渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。渗氮温度低，工件畸变小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。但由于渗氮层较薄，不适于承受重载的耐磨零件。

气体渗氮可采用一般渗氮法（即等温渗氮）或多段（二段、三段）渗氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。温度一般在480～520℃之间，氨气分解率为15～30%,保温时间近80小时。这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同温度、不同氨分解率、不同时间进行渗氮和扩散。整个渗氮时间可以缩短到近50小时，能获得较深的渗层，但这样渗氮温度较高，畸变较大。

还有以抗蚀为目的的气体渗氮，渗氮温度在 550～700℃之间，保温0.5～3小时，氨分解率为35～70%，工件表层可获得化学稳定性高的化合物层，防止工件受湿空气、过热蒸汽、气体燃烧产物等的腐蚀。

正常的气体渗氮工件，表面呈银灰色。有时，由于氧化也可能呈蓝色或黄色，但一般不影响使用。

渗氮

a．等温渗氮 也称一段式渗氮法。它是在恒温下进行长时间保温的渗氮工艺，渗氮温度510~530℃，其渗氮工艺曲线如图2-42所示。

第一阶段保温15~20h，为吸氮阶段。这一阶段采用较低的氨分解率（18%25%）。零件表面因洗后大量氮原子而与零件心部形成氮浓度差。第二阶段为扩散阶段。在这个阶段为减少活性氮原子的数量而将氨分解率提高到30%~40%，保温时间在60h左右。

渗氮

b．两段式渗氮 两段式渗氮工艺曲线如图2-43所示。第一阶段的工艺参数（除保温时间外）与等温渗氮相同。第二阶段把渗氮温度提高到550~560℃，以加速氮原子的扩散，缩短渗氮周期，氨分解率提高到40%~60%。根据对渗氮层的脆性要求，急速前也应提前2h提高氨分解率和温度进行退氮处理。

两段式渗氮的时间比等温渗氮短，表面硬度稍微低，变形略有增大，适用于渗氮层较深批量较大的零件。

c．三段式渗氮 三段式渗氮工艺曲线如图2-44所示。

渗氮

三段式渗氮能进一步提高渗氮速度，但硬度比一般渗氮工艺低，脆性、变形等比一般渗氮工艺略大。

离子渗入

又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。把金属工件作为阴极放入通有含氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮氢原子被电离，在阴阳极之间形成等离子区。在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击。离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度。由于离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件表面。

与一般的气体渗氮相比，离子渗氮的特点是：①可适当缩短渗氮周期；②渗氮层脆性小；③可节约能源和氨的消耗量；④对不需要渗氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮；⑤离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮；⑥渗层厚度和组织可以控制。

离子渗氮发展迅速，已用于机床丝杆、齿轮、模具等工件。

一、优点：渗氮时间短，质量容易控制，氮化层耐疲劳、有高强度，由于氮化温度在520-540，所以工件变形小，表面抗磁性高。

二、缺点：设备控制复杂，炉温均匀性不好。

氮碳共渗

低温氮碳共渗又称软氮化，即在铁-氮共析转变温度以下，使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳。碳渗入后形成的微细碳化物能促进氮的扩散，加快高氮化合物的形成。这些高氮化合物反过来又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。此外，碳在氮化物中还能降低脆性。氮碳共渗后得到的化合物层韧性好，硬度高，耐磨，耐蚀，抗咬合。

常用的氮碳共渗方法有液体法和气体法。处理温度530～570℃，保温时间1～3小时。早期的液体盐浴用氰盐，以后又出现多种盐浴配方。常用的有两种：中性盐通氨气和以尿素加碳酸盐为主的盐，但这些反应产物仍有毒。气体介质主要有：吸热式或放热式气体（见可控气氛）加氨气；尿素热分解气；滴注含碳、氮的有机溶剂，如甲酰胺、三乙醇胺等。

氰化cyaniding，指高温碳氮共渗（早期的碳氮共渗是在有毒的氰盐浴中进行）。由于温度比较高，碳原子扩散能力很强，所以以渗碳为主, 形成含氮的高碳奥氏体，淬火后得到含氮高碳马氏体。由于氮的渗入促进碳的渗入, 使共渗速度较快，保温4～6h可得到0.5～0.8mm的渗层，同时由于氮的渗入，提高了过冷奥氏体的稳定性，加上共渗温度比较低，奥氏体晶粒不会粗大，所以钢件碳氮共渗后可直接淬油，渗层组织为细针状的含氮马氏体加碳氮化合物和少量残余奥氏体。碳氮共渗层比渗碳层有更高的硬度、耐磨性、抗蚀性、弯曲强度和接触疲劳强度。但一般碳氮共渗层比渗碳层浅，所以一般用于承受载荷较轻，要求高耐磨性的零件。

氮碳共渗不仅能提高工件的疲劳寿命、耐磨性、抗腐蚀和抗咬合能力，而且使用设备简单，投资少，易操作，时间短和工件畸变小，有时还能给工件以美观的外表。

处理工艺

在渗氮零件的整个制造过程中，渗氮往往是最后一道工序，至多再进行精磨或研磨。渗氮零件的工艺流程一般为：锻造→正火（退火）→粗加工→调质→精加工→去应力→粗磨→渗氮→精磨→装配。

氮化前的预热处理包括正火（退火）、调质处理、去应力。

a．正火（退火），其目的是细化晶粒、降低硬度、消除锻造应力。

b．调质处理，可以改善钢的加工性能，获得均匀的回火索氏体组织，以保证零件心部有足够的强度和韧性，同时又能使渗氮层和基本结合牢固。

c．去应力处理，对于形状复杂的精密零件，在渗氮前应进行1~2次去应力，以减少渗氮过程中的变形。

生产准备

a．去污处理。零件装炉前要用汽油或酒精进行脱脂、去污处理，零件表面不允许有锈蚀及脏污。

b．防渗处理。对零件非渗氮部分，可用电镀或涂料法进行防渗氮处理。

c．渗氮件的表面质量应良好，不允许有脱碳层存在，因此，零件在预先热处理前应留有足够的加工余量，以便在渗氮前的机加工能将脱碳层全部去除，以保证渗氮层的质量。

d．装炉前检查设备和渗氮夹具、电系统、管道、氨分解测定仪等应保证正常使用；渗氮夹具不允许有脏物或氧化皮，如有应清除。

e．随炉试样。随炉的试样应与渗氮零件通材料并经过同样的预先处理。

脆性检验

a、

b、渗氮层脆性检验一般采用维氏硬度计，试验力10公斤，试验力的加载必须缓慢（在5-9S内完成），试验力加载完成后必须停留5-10S，然后卸载试验力，特殊情况也可采用5KG或者30KG试验力。

c、维氏硬度压痕在显微放大100倍下进行检查，每件至少测3点，其中两点以上处于相同级别时，才能定级。否则需重新检验。

d、渗氮层脆性应在零件工作部位或随炉试样的表面上检测，一般零件为1-3级为合格，重要零件1-2级为合格，对于渗氮后留有磨痕的零件，也可在磨去加工余量后的表面上进行测定

e、经气体渗氮后的零件，必须进行检验。

化学成份

渗氮用钢---凡含有Cr、Mo、V、Ti、Al等元素的低、中碳合金结构钢、工具钢、不锈钢(不锈钢渗氮前需去除工件表面的钝化膜，对不锈钢、耐热钢可直接用离子氮化方法处理)、球墨铸铁等均可进行渗氮. 渗氮后零件虽然具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度，但只是表面很薄的一层(铬钼铝钢于500--540C经35--65h渗氮层深只达0.3--0.65mm) .必须有强而韧的心部组织作为渗氮层的坚实基底，才能发挥渗氮的最大作用。总的来看，大部分渗氮零件是在有摩擦和复杂的动载荷条件下工作的，不论表面和心部的性能都要求很高.

如果用碳钢进行渗氮，形成Fe 4N和Fe 2N较不稳定。温度稍高，就容易聚集粗化，表面不可能得到更高的硬度，并且其心部也不能具有更高的强度和韧性.

为了在表面得到高硬度和高耐磨性，同时获得强而韧的心部组织，必须向钢中加入一方面能与氮形成稳定氮化物，另外还能强化心部的合金元素。如Al、Ti、V、W、Mo、Cr等，均能和氮形成稳定的化合物。其中Cr、W、Mo、V还可以改善钢的组织，提高钢的强度和韧性.

当前专门用于渗氮的钢种是38CrMoAlA,其中铝与氮有极大的亲和力，是形成氮化物提高渗氮层强度的主要合金元素.AlN很稳定，到约1000C的温度在钢中不发生溶解。由于铝的作用使钢具有良好的渗氮性能，此钢经过渗氮表面硬度高达1100--1200HV(相当67--72HRC).38CrMoAlA钢脱碳倾向严重，各道工序必须留有较大的加工余量.

注意事项

(1)渗氮前的预备热处理调质--渗氮工件在渗氮前应进行调质处理，以获得回火索氏体组织。调质处理回火温度一般高于渗氮温度.

(2)渗氮前的预备热处理去应力处理--渗氮前应尽量消除机械加工过程中产生的内应力以稳定零件尺寸。消除应力的温度均应低于回火温度，保温时间比回火时间要长些，再缓慢冷却到室温。断面尺寸较大的零件不宜用正火。工模具钢必须采用淬火回火，不得用退火.

(3)渗氮零件的表面粗糙度Ra应小于1.6um,表面不得有拉毛、碰伤及生锈等缺陷。不能及 时处理的零件须涂油保护，以免生锈。吊装入炉时再用清洁汽油擦净以保证清洁度.

(4)含有尖角和锐边的工件，不宜进行氮化处理.

(5)局部不氮化部位的保护，不宜用留加工余量的方法.

(6)表面未经磨削处理的工件，不得进行氮化.