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金属热处理中渗氮工艺常识
金属热处理中的各种渗氮工艺使氮原子渗入钢铁工件表层内的
化学热处理工艺；
传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中﹐通以流动的氨气并加热﹐保温较长时间后 ﹐氨气热分解產生活性氮原子﹐不断吸附到工件表面﹐并扩散渗入工件表层内﹐从而 改变表层的化学成分和组织﹐获得优良的表面性能。 进氮的扩散﹐则称为氮碳共渗。钢铁渗氮的研究始於
如果在渗氮过程中同时渗入碳以促 20 世纪初﹐ 20 年代以后获得工业
70 年
应用。最初的气体渗氮﹐仅限於含铬﹑铝的钢﹐后来才扩大到其他钢种。从
{BANNED}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。
渗入钢中的氮一方面由表及裡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
与
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。 渗碳工艺相比﹐渗氮温度比较低﹐因而畸变小﹐但由於心部硬度较低﹐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。 氮和离子渗氮。 气体渗氮：
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。它适用於 38CrMnAc 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﹐可用於精度要求高﹑又有耐磨要求的零件﹐如鏜床鏜杆和主轴﹑磨床主轴﹑气缸 套筒等。但由於渗氮层较薄﹐不适於承受重载的耐磨零件。
气体参氮可採用一般渗氮法 (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。这种工艺适用於渗层浅﹑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採用不同温度﹑ 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 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 热蒸汽﹑气体燃烧產物等的腐蚀。 正常
550～700℃之间﹐保温 0.5～3 小时﹐氨分
50 小时﹐能获
渗氮有多种方法﹐常用的是气体渗
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
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的气体渗氮工件﹐表面呈银灰色。有时
﹐由於氧化也可能呈蓝色或黄色﹐但一般不影响使用。 离子渗氮：
离子渗氮又称辉光渗氮﹐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
离子的高动能转变
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。 到净化﹐同时由於吸附和扩散作用﹐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可适当缩短渗氮週期﹔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﹐已用於机床丝杆﹑齿轮﹑模 具等工件。 氮碳共渗：
氮碳共渗又称软氮化或低温碳氮共渗﹐即在铁
-氮共析转变温度以下﹐使工件表面在主
碳氮原子相互促进便加快了渗
为热能﹐加热工件表面至所需温度。 由於离子的轰击﹐工件表面產生原子溅射﹐因而得
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。 入速度。 此外﹐碳在氮化物中还能降低脆性。 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 早期的液体盐浴用氰盐﹐以后又出现多种盐浴配方。
530～570℃﹐保温时间 1～3 小时。 常用的有两种﹕中性盐通氨气和以
氮碳共渗后得到的化合物层韧性好﹐硬度
尿素加碳酸盐为主的盐﹐但这些反应產物仍有毒。 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﹐如甲醯胺﹑三乙醇 胺等。
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。
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渗氮又称氮化， 指使氮原子渗入钢铁工件表层内的化学热处理工艺，其目的是提高零件 表面硬度和耐磨性， 以及提高疲惫强度和抗腐蚀性。它是利用氨气在加热时分解出活性 氮原子，被零件吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散。氮化通常利用专门设备 或井式渗氮炉来进行。气体渗氮在
1923 年左右，由德国人 Fry 首度研究发展并加以工
业化，目前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
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大。由于经渗氮处理的制品
具有优异的耐磨性、 耐疲惫性、 耐蚀性、 耐高温性、 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， 因而工件畸变小，已成为重要的化学热处理工艺之一，广泛应用于机械、冶金和矿山等 行业的齿轮、凸轮、曲轴、工具、冷作模具、热作模具等零件和产品的表面处理。
一、氮化常用材料
传统的合金钢材料中的铝、铬、钒及钼元素在渗氮过程中，与初生态的氮原子接触 时，就能生成安定的氮化物，尤其是钼元素，不仅是生成氮化物元素，还能降低在渗氮 时所产生的脆性。其他合金钢中的元素，如镍、铜、硅、锰等，对渗氮特性并无多大的 帮助。一般而言，假如钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素，氮化后的效果比较良 好。其中铝是最强的氮化物元素，含有 不适合作为渗氮钢。
二、渗氮过程控制 1.渗氮前的零件表面清洗
通常使用气体去油法去油后马上渗氮 2.排除渗氮炉中的空气
将被处理零件置于渗氮炉中，并将炉盖密封后即可加热，但加热至
150℃以前须作
排除炉内空气工作。 排除炉内空气的主要目的是使参与渗氮处理的气体只有氨气和氮气 两种气体， 防止氨气分解时与空气接触而发生爆炸性气体，及防止被处理零件及支架的 表面氧化。
3.氨的分解率
渗氮是其它合金元素与初生态的氮接触而进行 的零件接触时零件本身成为触媒而促进氨的分解 保持在 520℃左右。
4.冷却
大部份的工业用渗氮炉都有热交换机，
在渗氮工作完成后冷却加热炉及被处理零件。
50℃，然后将氨的流量增加一倍后开 150℃以下时，方可启开炉盖。
即渗氮完成后，将加热电源关闭，使炉温降低约 氨的流量至保持炉内正压为止，当炉温下降至
(初生态氮的产生，由氨气与加热中 )，虽然在各种分解率的氨气下，皆可
4～10 小时，处理温度
0.85～1.5%铝的渗氮结果最佳，假如有足够的铬
含量，亦可得到很好的效果，没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，轻易剥落，
渗氮，但一般都采用 15～30%的分解率，并按渗氮所需厚度保持
启热交换机，此时须注重确认炉内压力为正压。等候导入炉中的氨气安定后，即可减少
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