气体氮化的发展

气体氮化工艺在工业生产上应用以来，引起人们的重视，氮化层具有很高的耐磨性、耐腐蚀性及高的疲劳强度和
红硬性，小的变形等优点。

但氮化的缺点： ( 1 )需要特殊的氮
化钢； ( 2 )周期太长，几十个小时； ( 3 )化合物层脆性太大。

气体氮碳共渗和盐浴氮碳共渗相比，不仅具备盐浴处理的一切好处(渗速快、处理时间短、工件变形小、化合物层
厚度教薄韧性好)，而且还能提供更多的优点： ( 1 )可利用渗碳炉的剩余能力； ( 2 )劳动强度小，过程易自动控制； ( 3 ) 基本上
消除了盐浴的“三废”处理问题。

气体氮碳共渗用于低合金结构钢和碳素钢其渗层硬度
较低，渗层深度较浅，还难以满足用户需求。

多元快速氮化工艺是一种新的表面硬化技术。

它在渗氮(碳)同时，使工件表面渗入所添加的元素(如 AL、Cr、T
i和 V 等)，其实它是低温金属元素-氮- (碳)共渗。

多元快速
氮化工艺可形成高硬度、低脆性(I级)和致密的渗层；渗速
比气体氮碳共渗提高近 90%。

本技术克服了气体渗氮周期长，脆性大必须采用氮化钢才干取得良好效果的缺点，并解
决了气体氮碳共渗后表面硬度不够高、渗层仍不够深的问题。

1. 气体氮碳共渗结果较常规气体加氧氮化好。

原因可
CO 、CH )发生化学反应，形成 HCN ：
在氮化过程中，渗入工件表面的氮：一来自于残存 NH3；
二来自于 HCN 。

甲醇裂解气相当于提高了气氛氮势。

甲醇裂解
气的 CO 在氮化过程中具有加氧氮化和加含碳物质氮化两种效
2
果。

在氨分解气氛中加入少量CO ，可使气氛中的 H 量有所减少，
2 2
使气氛的氮更能迅速传递给工件。

碳渗入钢中可迅速达到饱和
状态而析出超显微组织 Fe C 。

Fe C 形成以后，可直接吸收氮原 3 3
子形成碳氮化合物[Fe ( C ，N) ]，还可作为氮化物结晶核心，
3
加速其生成过程。

可以认为：作为常规工艺气体氮碳共渗能取 代加氧氮化。

2. 多元快速氮化处理较常规氮化较常规氮化表面维氏硬
度有很大提高。

提高的原因是：
( 1 ) 多元快速氮化过程中， 试样表层有大量的 ALN 形成。

ALN 的显微硬度为 HD =1225-1230，即 ALN 是很硬的质点，存 500g
能是 NH 3 与甲醇裂解气( 4
在于试样表层的 ALN 对渗层表面起着弥散强化的作用，使试样
表面硬度提高。

ALN 的存在，化合物层不易疏松，使表面硬度提高。

ALN 的形成妨碍了碳的渗入，但加大了氮的渗入，使整个渗层的氮浓度均高于常规氮化后的氮浓度，氮浓度的提高导致硬度提高。

(2)多元快速氮化过程中工件表层渗入稀土，稀土的渗入，引起周围铁原子点阵的畸变，氮、碳间隙原子将优先在这些畸变区偏聚，形成原子气团，当浓度达到一定值后，将成为第二相(氮化物、碳化物、氮碳化合物)的形核中心，从而促进了第二相均匀形核和沉淀，使组织得到细化和明显改善。

3. 多元快速氮化处理较常规处理渗层深度明显增加。

渗速加快的原因可能为：
( 1 )试样表面多元渗添加剂的存在，使试样表面吸附能力增强，共渗的相界面反应速度加快。

未加入多元共渗添加剂，气氛的氮向试样表面传递，通过的相界面反应是：
(3)
(4)
加入多元共渗添加剂，气氛的氮向试样表面传递通过的相界面反应除上述两种以外还有：
( 5 )
加入多元共渗添加剂后，使氮向试样表面传递加快。

氮化初期，渗氮的控制因子是相界面反应，改善吸附，加快相界面反应速度，无疑是渗速加快。

( 2 )试样表层形成 ALN 微粒，对化合物的形核有利。

( 3 ) ALN 形核多位于位错缠结处。

ALN 位于位错缠结处，位错对氮的钉扎作用减弱，氮向内扩散的妨碍减少。

(4)多元快速氮化的化合物层厚度较常规气体氮碳共渗的化合物层厚度薄。

化合物层厚度越薄，氮向内扩散越快，因为氮在ε相中的扩散系数是α-Fe 中的 1/40。

( 5 ) 多元化快速氮化相界面的氮浓度高，氮浓度梯度的增大，有利于氮的扩散。

( 6 )稀土元素可使渗剂活化，加速氨、醇断键分解出活[N]和[C]原子。

稀土元素与氢结合，使气氛中的氢分压降低。

从而减少了氢对渗氮的妨碍作用，使反应向提高渗氮的方向进行。

试验也发现，加入稀土后，相同工艺条件下，炉内气氛压力升高，说明稀土能加速炉内气体的反应。

(7)稀土元素具有 4f 壳层结构，电负性很低，使其具有特殊的化学活性而被工件表面吸附，特别是吸附于钢表面的
微观晶体缺陷多。

稀土原子还对其周围的原子有较强的吸附能力，以形成由一个活性稀土原子与数个渗入的活性原子组成的“活性中心”，即一个活性稀土原子与数个渗入的活性原子组成的“活性中心”[12]，即一个活性稀土原子可以带动几个活性 N、C 原子被吸附。

当N、C 原子向渗层扩散后，“活性中心”又吸附其他的活性 N、C 原子，维持新的平衡，使N、C 原子不断地向钢中渗入。

(8)稀土元素的原子半径比铁份子约大 50%，似乎是难以渗入钢中，然而稀土与典型非金属元素之间的极化作用，有可能导致其原子半径产生改变。

以 La 为例，其原子的金属共价半径值为 1.877Å, 当极化为 100%的离子态时 ,其半径为1.061Å；当离子化程度为 60%时，半径减小为1.277Å,与铁原子共价半径 1.210Å 相近,这就使稀土元素可能渗入。

稀土元素渗入后，将优先占领晶界和晶内缺陷处并引起周围晶格畸变。

由于稀土元与周围原子的确交互作用，在稀土元素周围形成包含氮、碳的原子集团，并迅速达到饱和，导致表层浓度较高而内层较低，这种浓度梯度将有利于氮、碳原子不断向内层扩散。

稀土元素的渗入，使空位、位错数目增加，降低了氮、碳原子晶界扩散激活能，提高了氮、碳原子扩散系数。

( 9 )稀土的添加，也有利于 AL 的吸附及 ALN 的形成，ALN 大量形成又促进氮的渗入。

稀土的渗入将使 AL 的扩散激活能降低，扩散系数提高。

多元快速氮化后的化合物层致密无脆性
供氨量过大，被渗试样表层形成高氮ε相，氮倾向于呈自由态析出，导致在位错、晶界和孔穴处浮现气态氮，份子态氮产生很大的应力，造成在ε相中的位错和晶界上产生气孔使化合物层疏松，使性能下降。

稀土及金属元素的渗入，与铁和氮(碳)相互作用，使铁氮(碳)化合物更稳定。

同时，稀土元素与氧、氢等杂质元素有较强的结合力，抑制了这些杂质元素促进组织疏松的有害作用，从而使渗层组织致密。