钢的渗氮(氮化)

二、钢的渗氮(氮化)

在钢件表面渗入氮原子，形成富氮硬化层的化学热处理工艺称为渗氮，通常也称为氮化。渗氮的目的是提高工件的表面硬度、耐磨性，疲劳极限及耐蚀性。目前常用的渗氮方法主要是气体渗氮和离子渗氮。这里仅通过气体渗氮来介绍氮化的特点。

(一)气体渗氮(气体氮化)

1．气体氮化的原理及渗氮用钢

气体渗氮是将工件放在密封的炉内加热，并通入氨气，使其分解出活性氮原子，活性氮原子被钢件表面吸收并通过扩散形成一定深度的渗氮层。由于氨气在300℃以上便可以分解出活性氮原子，故气体渗氮的温度一般在550～580℃之间。工件渗氮时间取决于所需渗层的深度，一般气体渗氮的渗层深度为0．4～0．6mm，渗氮时间为40～70h。故气体渗氮的生产周期很长且渗层较薄。

氮和许多合金元素都能形成氮化物，这些合金氮化物在钢中弥散分布可使钢件具有高硬度和良好的耐磨性，同时还具有高的耐蚀性。渗氮在生产中主要有两方面的应用。

(1)抗磨氮化。如果渗氮是以表面强化为主要目的，即为了获得高硬度、高耐磨的表面强化层，则渗氮温度不宜过高，一般为500～570℃，氮化时间30～50h，渗层的深度一般为0．30～0．50mm。生产中将这种渗氮称为抗磨氮化。

抗磨氮化一般需要采用专用的氮化钢。目前专用渗氮钢多为Cr-Mo-Al钢，这类钢一般均为w_C=0．15%～0．45%的合金结构钢，其典型钢种为38CrMoAlA。钢中的合金元素Cr、Mo、Al等在渗氮过程中可形成高度弥散、硬度极高而且非常稳定的氮化物(如CrN、Mo₂N、AlN等)。这类钢渗氮后工件的表面硬度高达950～1200HV(相当于65～72HRC)，而且其硬度可保持在560～650℃时不下降。

(2)抗蚀氮化。如果氮化是以单纯提高零件表面抗腐蚀性能为目的，则称为抗蚀氮化。抗蚀氮化温度可适当提高至590～720℃，保温时间较短，一般0．5～3h即可。抗蚀氮化对碳钢、低合金钢及铸铁均可实施。钢件渗氮后，其表面可获得一层致密的氮化层，在大气、淡水及汽油等介质中均有良好的耐蚀性。

2．气体渗氮的特点

(1)渗氮一般都安排在工件加工中的最后一道工序，渗后工件至多再进行一次精磨或研磨，不需再进行其他热处理。为了保证渗氮工件心部具有良好的综合性能，渗氮前工件一般要进行调质处理，获得回火索氏体组织。

(2)钢经渗氮后表面形成一层极硬的合金氮化物，无需淬火便具有很高的表面硬度(950～1200HV)和耐磨性，而且这种高硬度还可保持到600～650℃而不明显下降。与渗碳相比，渗氮后工件表面的硬度更高，耐磨性更好，且具有很好的热稳定性。

(3)渗氮后钢的疲劳极限可提高15%～35%。这是因为钢表面形成的氮化层的体积增大，使工件表面产生了较大的残余压应力，工作时这部分残余压应力可部分地抵消变动载荷下产生的拉应力，延缓了疲劳破坏的结果。

(4)钢经氮化后表面具有很高的抗腐蚀的能力。这是因为表面氮化层是由连续分布且致密度很高的抗蚀氮化物所组成。因此渗氮可代替镀镍、镀锌、发蓝等表面处理。

(5)氮化处理温度低，渗后又无须淬火，所以工件变形很小。比渗碳及感应加热表面淬火时的变形要小得多。因此渗氮特别适宜于许多精密零件的最终热处理。

由于以上特点，渗氮广泛用于耐磨性和精度要求都很高的精密零件、承受变动载荷要求疲劳极限很高的重要零件，以及要求耐热、耐蚀并耐磨的零件，如磨床主轴、镗杆、精密机床丝杠、高速内燃机曲轴、各种高速传动的精密齿轮、耐磨量具和压铸模等。

渗氮的主要缺点是渗层薄而且较脆，故渗氮零件不能承受接触应力和冲击载荷。另外生产周期长、成本高也是其不足之处。例如，38CrMoAl钢制的压缩机活塞杆渗氮保温时间60h以上，渗层厚度仅为0．4～0．6mm。

(二)钢的离子渗氮(离子氮化)

在低真空气体中总是存在微量的带电粒子(电子和离子)，在高压电场作用下，这些带电粒子将做定向运动，其中能量足够大的带电粒子与中性的气体原子或分子碰撞，使其处于激发态而成为活性原子或离子。离子氮化就是利用这一原理，将零件放入渗氮炉内的真空室中，抽真空后充以稀薄的H₂和N₂混合气体;零件接电源的阴极，炉壁接阳极，在阴极和阳极之间加以直流高压后，炉内的稀薄气体发生电离，产生大量的电子、离子和被激发的原子，形成所谓的辉光放电现象(阴极表面形成一层紫色的辉光);离子和被激发的原子在高压电场作用下以极快的速度轰击零件的表面，使零件表面温度升高(一般可达500～700℃)，氮离子在阴极(零件表面)获得电子，变成活性氮原子并被零件表面吸附，迅速向内扩散而形成氮化层。氢离子则有助于清除工件表面的氧化膜。这种渗氮过程称为离子渗氮(或辉光离子渗氮)。

离子渗氮的特点如下。

(1)渗氮速度快，生产周期短，仅为气体氮化时间的1/5～1/2。如38CrMoAlA钢，渗氮层深度要求达到0．53～0．7mm，硬度达到900HV时，采用气体渗氮需要50h以上，而离子渗氮只需要15～20h。

(2)氮化层质量高。与气体渗氮比较渗层脆性明显降低，韧性和疲劳极限提高。

(3)工件变形极小，更适用于处理精密零件和形状复杂的零件。

(4)对材料适应性强。离子氮化不仅适用于渗氮用钢，而且适用于一般碳钢、合金钢等几乎所有钢种和铸铁。

(5)节能无污染、工件表面干净、无须其他加工。

离子氮化的缺点是:设备较复杂、价格较贵;零件形状复杂或截面悬殊大时其表面很难达到一致的硬度和氮化层深度。