渗氮工艺及注意事项：低温离子轰击、一段、二段及三段法

渗氮常称为渗氮，就是将工件放在含氮介质中，加热到较低温度（480～600℃），使氮渗入其表面，形成以渗氮物为主的渗层。有些钢种的渗氮层硬度高达1000～1200HV，渗后不必进行提高硬度的淬火处理。渗氮层的高硬度是因高硬度渗氮物弥散分布在基体中所造成的，随渗氮温度升高，渗氮物片厚度增加，与母相的共格关系开始破坏，硬度降低。渗氮层的耐磨性远高于渗碳层，渗氮工件的变形小，处理后不再进行加工就可以使用，高精度的工件也只需要精磨、研磨或抛光。在渗氮层中形成大的残余压应力，有利于提高零件的疲劳强度。渗氮温度一般稍低于淬火钢的回火温度范围。调质状态的结构钢渗氮时，工件心部保持了调质状态的回火索氏体组织，在得到高硬度表面的同时具有良好的综合机械性能。

渗氮层具一定热硬性，在500℃以下能长时期保持高硬度。在600℃短时间加热，硬度也不降低，而当温度超过600～625℃时，由于高弥散分布的渗氮物的聚集，而使渗氮层硬度下降。为了工件心部具有必要的力学性能，渗氮前一般要进行调质处理，获得回火索氏体组织。渗氮往往是最后一道工序，因而渗氮前要求加工到足够的精度，为了消除加工应力和减少渗氮过程的变形，一般在机械加工后要进行1～2次除应力回火。

根据渗氮的目的，可分强化渗氮（硬渗氮）和抗蚀渗氮，对要求表面硬度高、耐磨性好、热处理变形小的高精度工件，多采用强化渗氮，如精密机床的主轴、镗床的镗杆、发动机缸套、油泵的分配轴等。为了提高碳钢、合金钢、塑料模具钢及电工钢工件的抗蚀能力，则对其进行抗蚀渗氮。抗蚀渗氮适用于对抗蚀性要求不太高的小零件，如仪表、打字机、缝纫机的零件。抗蚀渗氮是在工件表面获得0.015～0.06mm厚的致密的、化学稳定性好的ε相渗氮层。对潮湿空气、过热空气、海水、气体燃烧产生的气体具有一定耐蚀能力。抗蚀渗氮温度比强化渗氮的温度高（550～650℃），渗氮后可以快冷。

渗氮用钢中常加入铬、钼、钨、钒、钛、铝等形成稳定渗氮物的元素。这些元素与氮形成高硬度、弥散分布的AlN、MoN、Mo₂N、WN、W₂ N、CrN、Cr₃ N等渗氮物，能提高渗氮层的硬度和强度，其中铝、铁、钒的渗氮物尤为显著。钢中加入钼和铝，可改善扩散层性能。38CrMoAl是最典型的渗氮钢种，38CrMoAl钢于560℃渗氮后，在渗氮层中形成与母相有一定取向关系的片状渗氮物，片厚约为5～6nm，硬度可达1000～1200HV。为克服该钢脆性大的缺点研制的30CrAl（0.5%Al）、25CrMoAl（0.5%Al）等钢。含钛钢在600℃渗氮3～6h后，渗氮层硬度为850～1000HV，深度为0.3～0.45mm，含钛渗氮钢渗氮温度可提高到650℃，渗氮时间可缩短到6～10h，硬度为1000HV，层深为0.50mm左右。

1.气体渗氮

将氨气连续通入渗罐内，在渗氮温度下，氨气在工件及罐壁的催化作用下发生分解：

2NH₃→2N+3H₂

生成的活性氮原子N被工件表面吸附，渗入后形成渗氮层。剩余的氮原子则结合生成N₂和H₂一起排出炉外。NH₃的分解率为15%～40%时，钢对N的吸收速度较快。渗氮温度愈高，扩散愈快，获得的渗氮层愈深。但是渗氮温度升高，特别是高于550～600℃时，合金渗氮物将发生聚集长大，导致硬度显著下降。根据渗氮时温度及渗剂供给情况通常把渗氮分为一段、二段及三段法，对38CrMoAl钢来说，一般取510～520℃等温渗氮，时间长达70～80h，称为一段渗氮。一段渗氮的工件硬度高，变形小，适用于坐标镗床主轴、轴套等精密件。为了加快扩散速度，有的将后半期的渗氮温度提高到550～560℃，称为二段渗氮，渗氮时间能缩短到50～60h，但表面硬度有所降低，二段渗氮的变形较大，适用于短粗的结构件，如磨床的磨头轴。由于二段渗氮表面硬度有所降低，又有将二段渗氮后期温度降到520～530℃的，即三段渗氮。在调整渗氮温度的同时，对渗剂的流量进行适当调整，还可以达到提高表面硬度，降低渗层脆性及调整过渡层浓度梯度的目的。气体渗氮的缺点是时间长，渗氮表层脆性大，表5-10和表5-11为抗蚀渗氮工艺及气体渗氮工艺规范。

表5-10 抗蚀渗氮工艺

表5-11 常用结构钢和工具钢的气体渗氮工艺规范

2.离子渗氮

辉光放电是稀薄的气体分子和原子在电场中电离，不断产生带电体，以及它们之间互相撞击，在阴极与阳极之间引起连续的放电电流，使气体由绝缘体变为良导体的现象。离子渗氮是利用高压电场在稀薄的含氮气体中引起的辉光放电，使氮渗入工件表面的工艺过程。离子渗氮是一项较成熟的工艺，离子轰击化学热处理的特点是渗速快，温度低并范围宽，渗层浓度和组织易控制，渗层脆性较小，变形小，节能，耗气量少，污染较少等，为此，离子渗氮的应用在逐步扩大，气体渗氮件已逐步被离子渗氮代替。图5-4为离子渗氮设备示意图。

铸铁件和不锈钢件可以用离子渗氮提高其耐磨性。离子渗氮还可以提高钛合金的耐磨性。但设备较复杂，投资较大，过程中的温度分布不均匀及温度控制的准确性还有待于解决。离子渗氮已经广泛用于热锻模、冷挤压模、压铸模、冲压模等，可以大幅度提高模具寿命。离子轰击渗氮温度降低到450～500℃，工件变形小，有的称为低温离子轰击渗氮。冲击负荷较小的刀具，如拉刀、钻头、铣刀、铰刀等经低温短时离子渗氮后，能获得无化合物层的渗层组织，提高其使用寿命，效果良好。(www.xing528.com)

离子渗氮时，先用真空泵将炉罐内抽至气压为133～1330Pa，罐壁为阳极，工件放在罐内底盘为阴极，它们之间电压为400～1100V。工作气体为氨或氮、氢混合气，在高压直流电场作用下，电子移向阳极，氮、氢的正离子移向阴极（工件）。正离子移到工件前几毫米处，由于急剧地电压下降，以很大的速度冲击工件表面，动能转换为热能，把工件表面加热到所需的温度。由于离子轰击，在表面层的0.05mm深度内产生高密度的空位和位格，降低了扩散激活能、扩渗加速，在渗氮过程的前20h内比普通气体渗氮快3倍。在离子轰击的过程中，一部分氮原子被吸收，直接渗入工件表面；另一部分氮原子引起阴极溅射。被溅射出的铁原子与氮原子（或氮离子）相结合，在工件表面形成呈蒸发状态的高氮相FeN。FeN在高温和离子轰击下除释放一部分氮气外，另一部分氮不断向工件内部扩散，依次形成下列各相：FeN、Fe₂N、Fe₃N、Fe₄N。离子渗氮可通过控制有关因素，调整氮与氢的比例，使氮含量在10%以下，可以得到韧性好、强度高的γ′相组织，得到硬度高、脆性低的渗氮层组织。表5-12给出几种材料的离子轰击渗氮工艺参数。

图5-4 离子渗氮设备示意图

表5-12 几种材料的离子轰击渗氮工艺参数

（续）

离子渗氮处理的速度较快，但总的来讲，化学热处理是一个时间很长的过程，能耗大，因此，已有一些离子渗氮的催渗技术被开发，并在生产中获得应用，其中较突出的是稀土催渗离子渗氮工艺，图5-5所示为稀土离子渗氮与普通离子渗氮的层深。稀土离子渗氮渗层的表层晶粒得以细化，各种晶体缺陷的增加，使渗氮速度和表面硬度增加。稀土对离子渗氮的催渗作用已被大量试验所证明，渗速可提高20%～30%。

图5-5 稀土离子渗氮与普通离子渗氮的层深艺条件下的渗层深度见表

稀土是一类原子结构非常独特的元素，一般认为，它对离子渗氮的气相活化、活性原子吸附及扩散三个过程均有影响。用于离子渗氮的一般为La、Ce等稀土化合物。可先将稀土化合物溶于有机溶剂，制成饱和溶液后，再按一定的比例将其混合于易挥发的有机溶液中（如丙酮等）依靠负压吸入炉内，稀土混合气的比例不超过10%，不同工内，稀土混合气的比例不超过10%，不同工艺条件下的渗层深度见表5-13。

表5-13 不同工艺条件下的渗层深度