氮化又称为渗氮，这一化学热处理工艺，涉及将氮原子深入钢铁工件表层。其核心目标在于增强零件表面的硬度和耐磨性，同时提升其疲劳强度与抗腐蚀性。在加热过程中，氨气会分解产生活性氮原子，这些氮原子随后被零件吸收，并在其表面形成一层氮化层，这一过程还伴随着向心部的扩散。渗氮工艺涵盖了气体渗氮、离子渗氮以及碳氮共渗等多种方式。相较于传统的淬火等金属表面热处理技术，渗氮处理展现出了显著且独特的优势。接下来，我们将深入探讨这一日益受到广泛应用的渗氮技术。
氮化工艺的独特之处在于其利用专门设备，如渗氮炉，进行工件的表面处理。经过渗氮的制品展现出卓越的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性以及耐高温性。此外，它还具备出色的抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力，以及抗回火软化能力，并能有效降低缺口敏感性。相较于渗碳工艺，渗氮在较低的温度下进行，从而减少了工件的畸变，使其成为不可或缺的化学热处理工艺。这一技术广泛应用于机械、冶金和矿山等多个领域，涵盖齿轮、凸轮、曲轴、工具、冷作模具、热作模具等众多零件和产品的表面强化。
1. 含铝元素的低合金钢
这类钢种常作为标准渗氮钢使用，其性能优越，适用于多种渗氮应用。
2. 含铬元素的中碳低合金钢
包括SAE 4100、4300、5100、6100、8600、8700和9800系，这些钢种含有适量的铬元素，具有出色的耐腐蚀性和机械性能。
3. 热作模具钢
如SAE H11（SKD-61）、H12和H13，这些钢种含有约5%的铬，常用于制作热作模具，展现出良好的耐磨性和抗高温软化能力。
4. 铁素体和马氏体系不锈钢
包括SAE 400系，这类钢种具有优良的耐腐蚀性和机械强度，适用于多种工业领域。
5. 奥氏体系不锈钢
如SAE 300系，这类钢种以其出色的耐腐蚀性和塑性成形能力而闻名，广泛应用于食品、化工和医疗设备制造等领域。
6. 析出硬化型不锈钢
包括17-4PH、17-7PH和A-286等，这些钢种通过析出硬化过程获得高强度和高硬度，常用于航空航天和海洋工程等高要求领域。
在传统的合金钢材料中，铝、铬、钒及钼等元素在渗氮过程中发挥着关键作用。这些元素与初生态的氮原子相遇时，能够形成稳定的氮化物。特别是钼元素，它不仅参与氮化物的生成，还能有效降低渗氮过程中的脆性。相比之下，其他如镍、铜、硅、锰等元素对渗氮特性则贡献不大。通常，钢料中含有一种或多种氮化物生成元素时，其渗氮效果会更为出色。铝是其中最强的氮化物元素，当铝的含量控制在0.85～1.5%时，渗氮效果最为理想。足够的铬含量也能带来良好的渗氮效果。需要注意的是，未含合金的碳钢由于生成的渗氮层脆性大且易剥落，因此不适合作为渗氮钢使用。
接下来，我们将探讨渗氮工艺过程中的关键控制点。
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零件表面清洗。在渗氮前，必须对零件进行彻底的清洗，以去除表面的油污。通常采用气体去油法，随后立即进行渗氮处理。 -
排除渗氮炉中的空气。将待处理的零件置于渗氮炉内，密封炉盖后开始加热。但在加热至150℃之前，必须进行排除炉内空气的操作。这一步骤的目的是确保参与渗氮处理的气体仅为氨气和氮气，从而防止氨气在分解时与空气接触产生爆炸性气体，同时避免零件及支架表面发生氧化。 -
控制氨的分解率。渗氮过程中，其他合金元素会与初生态的氮接触并发生反应。虽然在不同分解率的氨气条件下均可进行渗氮，但一般推荐采用15～30%的分解率，并保持4～10小时的渗氮时间，同时将处理温度控制在约520℃左右。 -
冷却处理。大多数工业用渗氮炉都配备了热交换机，用于在渗氮完成后冷却加热炉和被处理的零件。具体操作是，在渗氮结束时关闭加热电源，让炉温自然降低约50℃。随后，增加氨气流量并启动热交换机。此时需注意确认炉内压力为正压状态。等待炉内的氨气稳定后，再逐渐减少氨流量至保持炉内正压为止。当炉温降至150℃以下时，方可打开炉盖取出零件。
渗氮工艺流程如下：
锻造后进行退火或正火处理，接着进行粗加工，之后进行调质处理以获得回火索氏体，提升心部机械性能并优化氮化层质量。随后进行精加工、磨削或研磨，最后进行渗氮处理。
在渗氮过程中，由于渗氮层相对较薄，因此确保心部组织的强度至关重要。调质热处理在这一环节中扮演着关键角色，它能够提升心部的机械性能，并为后续的渗氮处理提供高质量的基础。
1、气体渗氮：
气体渗氮的初衷通常在于提升金属的耐磨性，因此追求高表面硬度是关键。经过渗氮处理后，工件表面的硬度可达到HV850～1200的范畴。这一工艺可以采用多种方法，包括常规的等温渗氮，以及更为灵活的多段渗氮法（如二段、三段渗氮）。在等温渗氮中，渗氮温度和氨气分解率保持恒定，通常温度范围为480～520℃，氨气分解率为15～30%，并需保温近80小时。此法适用于对渗层深度、畸变控制和硬度要求极为严格的零件，但所需时间较长。多段渗氮法则允许在渗氮的不同阶段分别调整温度、氨分解率和保温时间，从而缩短总渗氮时间至近50小时，同时增加渗层深度。然而，这种方法的渗氮温度较高，可能导致较大的畸变。
此外，还有以增强抗蚀性为目的的气体渗氮。在此工艺中，渗氮温度维持在550～700℃，保温时间为0.5～3小时，氨分解率为35～70%。通过这种方法，工件表层能够形成化学稳定性高的化合物层，有效抵御湿空气、过热蒸汽、气体燃烧产物等的侵蚀。
2、离子渗氮：
亦被称为辉光渗氮，其核心技术在于辉光放电原理。
在负压容器中，金属工件被置为阴极，并充满含氮介质。通电后，介质中的氮氢原子得以电离，从而在阴阳极间构建起等离子区域。强电场作用下，氮和氢的正离子以极高速度轰击工件表面，其动能随后转化为热能，进而加热工件至预定温度。离子轰击带来的原子溅射效应使工件表面得以净化，同时，通过吸附与扩散机制，氮逐渐渗入工件浅表层。
离子渗氮的显著优势在于其灵活的控制性。通过调整渗氮气氛的组成、气压、电参数以及温度等参数，可以精细调控表面化合物层（通常被称为白亮层）的结构，以及扩散层的组织特性，从而确保零件能够满足特定的服役需求和性能要求。
3、氮碳共渗，亦被称为软氮化或低温碳氮共渗，是一种在铁氮共析转变温度以下进行的工艺。
它使工件在渗入氮的同时，也渗入了碳。这些微细的碳化物形成后，能促进氮的进一步扩散，从而加速高氮化合物的生成。反过来，这些高氮化合物又能提高碳的溶解度，形成一种相互促进的渗入机制，进一步加快了渗入速度。此外，碳的加入还能降低氮化物中的脆性。
氮碳共渗的方法主要包括液体法和气体法，其处理温度通常在530～570摄氏度之间，保温时间约为1～3小时。早期主要采用氰盐液体盐浴，随后又发展出多种改进配方，但这些反应产物仍存在一定的毒性。气体介质则主要包括吸热式或放热式气体与氨气的混合物，以及尿素热分解产生的气体。同时，滴注含碳、氮的有机溶剂，如甲酰胺、三乙醇胺等，也是常用的方法。
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