渗氮工艺及材料的选择

渗氮(nitriding)

在低于钢铁材料临界点A c1基体不发生相变的前提下，将活性氮原子渗入制件表层的化学热处理工艺。以提高耐磨性、抗疲劳性能为目的的渗氮通常在500～570℃进行；以提高耐蚀性为目的的渗氮温度也不高于650℃。本法的优点是表面改性显著，且处理前后尺寸变化小，能保持制件的精度。除钢之外，球墨铸铁和钛合金制件亦可通过渗氮提高耐磨性和使用寿命。

分类应用最广泛的是气体渗氮，其次为离子渗氮，盐浴渗氮(不包括兼有渗碳作用的氮碳共渗)和固体渗氮用户极少。

气体渗氮常用的渗氮介质有氨、氨与氮、氨与氢、氨与预先在炉外分解的氨分解气的混合气。氨在300℃以上即发生显著的分解，故上述各种气体都是氨、氮与氢的混合气。混合气在钢件表面的催化作用下分解出活性氮原子，吸附并渗入钢件表层。介质的渗氮能力与氨分解程度有关。图1示出氨分解率对

38CrMoAlA钢渗氮处理(24h)后渗层深度和硬度的影响。

气体掺氮常用设备为RJJ系列井式电炉。密封加热罐常用1Cr18Ni9Ti不锈钢制造。此种密封罐的缺点是内壁对氨分解有触媒作用，使用过程中使氨分解率失去控制，影响渗氮质量。懈决这一问题的方法是在新罐使用前空载通入含硫气体(H2S或SO2)，或滴注CS2，于500～600C保持2～4h，或在800～860℃空载保温2～4h，可使罐内壁的催化作用大幅度下降。采用搪瓷渗氮罐代替不锈钢罐已进入工业实用阶段，后者色完全消除了罐壁的催化作用。

气体渗氮温度因钢种、渗层深度、硬度和性能指标的不同要求在480～650℃之间选择。大多数钢种的渗氮件在520～560℃处理，保温时间主要取决于要求的渗层深度。

离子渗氮以钟罩式炉壳为阳极，欲渗零件为阴极，置于真空度为130～1300Pa的含氮气氛中，在电场作用下两极问激发辉光放电，并将气体电离产生氮离子，由电场加速向阴极迁移、轰击，使之加热到480～560℃渗氮温度，将吸附的氮渗入工件。用作渗氮气氛的有氨、氮或氮与氢的混合气。

与气体渗氮相比，离子渗氮具有下述优点：(1)扩散过程的速度提高30％～50％；(2)更好地控制渗层的成分和相组成物，如在10％NH3+90％Ar气氛中生成表面无氮化物(脆性)层的富氮扩散层；(3)因阴极溅射作用而降低了表面粗糙度；(4)缩短加热与冷却时间，缩短处理周期；(5)节约渗氮剂；(6)对环境无污染。离子渗氮工艺也存在一些缺点：带有深孔、小孔、盲孔、尖角的零件不能获得质量良好的渗层；电冈电压的波动影响处理质量的均一性。

渗氮用钢以抗磨损、抗疲劳为主的渗氮件常用含0.15％～0.45％C的合金结构钢；用量最大的是含0.25％～0.40％c的铬钼铝钢、铬钼钢、铬镍钼钢、铬镍钨钢。以抗大气、雨水、水蒸气等介质腐蚀为主的渗氮件则常用低碳钢和中碳钢。模具钢、高速工具钢与不锈钢工件亦可采用渗氮作为提高耐用度的手段。表中列出部分常用渗氮钢的钢号及主要性能和用除．

部分常用渗氮钢的钢号、主要性能和用途

渗氮层的组织与性能典型的渗氮层由表及里分为两个次层：ξ单相次层和γ’复相次层。ξ化学式为(Fe，M)2-3N(M代表氮化物形成元素)，六方晶系，又称白亮层。γ’化学式为(Fe，M)2-3N，面心立方晶系，在渗氮钢原始组织的基础上以极细的尺寸分散地析出，光学金相观察为黑色层。γ’复相层中氮浓度的梯度大，又称氮扩散层。不同钢种制成的适于不同工况条件的渗氮件，要求的渗层组织有很大差别，如冷作模具和高速钢刀具不允许￡单相层厚度超过2μm，更不允许连成大片；而抗蚀渗氮则要获得10um 以上厚度的ξ层，且尽可能形成完整的膜。

与渗碳层相比，渗氮层的硬度高得多(碳素钢除外)，尤其含铝及多量钼、钨、铬、钒的钢，可达Hv1050～1300。由于表层强度高，加上渗氮处理在表层形成压应力，使45钢及38CrMoAlA、18cr2Ni4wA等钢渗氮件的抗疲劳强度比原始调质态提高20％～40％(光滑试样)或0.5～1.2倍(缺口试样)。

高效渗氮新工艺在保证质量的前提下有效地缩短处理周期，是本领域当前最为关注的热点。能显著缩短气体渗氮周期的有效方法主要有： (1)采用新型渗氮钢。，TiN、ZrN和VN等氮化物弥散度高，在650℃以上才开始聚集，现已开发了30CrTi2、30CrTi2Ni3AlA等新钢种。这些钢可在600～650℃渗氮，600±10℃保温6h即可获得0.35mm以上的渗氮层(38CrMoAlA类的渗氮钢510℃获得相同厚度的渗层需时约20h)。

(2)取消赶空气工序。传统的操作方法是先用氨气驱除密封罐中的空气，直至空气量达10％以下再开始升温。因为氨在207℃以上还原性比氢更强，故不必顾虑直接升温渗氮件的氧化。即使初始期于低温下有轻微氧化，也会在达到渗氮温度之前被还原。取消通氨赶空气工序既缩短了渗氮周期，又节约大量氨。

(3)采用组合型渗氮介质。以氨为单一渗剂时渗氮速率不高。氨与氮、氨与氢或由氨、氢、氮混合的气氛，都不同程度地提高渗氮速率。例如，使用30％NH370N2气氛，38CrMoAlA钢的渗氮速率约为纯氨的2倍。

(4)采用循环两段渗氮法。进行3～4个周期的短期两段渗氮。每一周期前段采用15％～35％的氨分解率，在520±10℃渗氮，使表面氮含量提高。待气氛与表面逐渐达到氮的吸收与扩散的亚平衡时，转入第二阶段，即升温至560±10℃(30CrTi2升至630±10℃)，并将氨分解率增至50％～70％，强化氮的扩散。如此循环能充分利用强渗与扩散的高效率阶段，使渗氮处理时间大为缩短。采用微处理机控制，便于调控各阶段的温度、保温时间和氨分解率。

以上4种方法迭加效果更佳，旨在获得深度达0.5mm以上渗氮层的处理周期可望大大缩短。这些方法不仅适于气体渗氮，也适于离子渗氮等工艺。