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低温化学热处理方法——气体渗氮
1、概述
将工件放入渗氮介质中，加热到渗氮温度（一般为４８０～５８０℃），保温一段时间，使渗氮介质发生化学反应，经过外扩散，在工件表面进行吸附和界面反应，活性氮原子被工件表面吸收并扩散渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗氮，又俗称氮化，常用的有气体渗氮、离子渗氮等。
（1）渗氮处理的优点
渗氮能使钢铁零件得到比渗碳淬火更高硬度（９５０～１２００ＨＶ）、耐磨性、抗咬合性能、热硬性和良好疲劳强度的渗氮层。由于渗氮温度低和渗氮后的渗氮层具有高的硬度，因而零件渗氮后不进行淬火工艺，故渗氮零件的变形很小。因此，渗氮工艺在要求耐磨性高、疲劳强度好和热处理变形小的精密零件的生产中获得了广泛的应用。
（2）渗氮处理的缺点
生产周期长（一般气体渗氮工艺的渗氮时间长达数十小时到１００ｈ），成本较高，渗氮层较薄（一般不超过０.５ｍｍ），且脆性较大，因此渗氮零件不能承受太大的接触应力和高的冲击载荷。此外，渗氮主要是通过氮与钢中的合金元素作用形成高弥散度的氮化物，从而起到强化作用，故渗氮处理一般只适用于某些特定成分的钢种，如含Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ等合金元素的钢种。
2、渗氮层中一般存在的五种相
（1）α相
α相是氮在α?Ｆｅ中的间隙固溶体，相当于Ｆｅ?Ｆｅ３Ｃ相图中的铁素体，亦称含氮铁素体，体心立方点阵。氮在α?Ｆｅ中的最大溶解度（５９０℃时）约为０.１％。
（2）γ相
γ相是氮在γ?Ｆｅ中的间隙固溶体，相当于Ｆｅ?Ｆｅ３Ｃ相图中的奥氏体，亦称含氮奥氏体，面心立方点阵。存在于共析温度５９０℃以上，在６５０℃时溶解度最大为２.８％。
（3）γ′相
γ′相是有序面心立方点阵的间隙相，存在于６８０℃以下，ｗ（Ｎ）在５.９％左右。当ｗ（Ｎ）为５.９％时，化合物为Ｆｅ４Ｎ，在６８０℃以上转变为ε相。γ′相有较高的硬度（５５０ＨＶ）和韧性。
（4）ε相
ε相是含氮量范围很宽的间隙相，在５００℃以下，ε相的成分大致在Ｆｅ３Ｎ［ｗ（Ｎ）为８.１％］与Ｆｅ２Ｎ［ｗ（Ｎ）为１１.１％］之间变化。
（5）ξ相
ξ相是以Ｆｅ２Ｎ为基的间隙固溶体，ｗ（Ｎ）在１１.１％～１１.３５％范围内，性脆，耐腐蚀。
在上述五种相中，α相在缓慢冷却过程中将析出γ′相；γ′相在缓慢冷却时会发生共析反应，生成共析组织（α＋γ′）；如果快冷，则形成含氮马氏体。ε相在缓慢冷却时，也将析出γ′相。氮除与Ｆｅ形成各种固溶体和化合物相外，还能与钢中的合金元素形成一系列的合金氮化物相。
3、渗氮用钢
用于渗氮的材料包括结构钢、工具钢、不锈钢、耐热钢、铸铁件等。渗氮的目的是提高结构件、工具、模具的硬度，耐磨性以及耐疲劳性，提高工件在腐蚀介质中工作的耐蚀性。渗氮钢种的含碳量包括了从低碳到高碳的范围。它们可以是碳钢也可以是合金钢。含Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ的钢渗氮的效果更佳。常用渗氮钢渗后性能及用途见表下1。
表1常用渗氮钢渗后性能及用途
4、渗氮层的技术参数
（1）渗氮层硬度及耐磨性
钢铁件气体渗氮后，表面硬度一般都比其他热处理方法所获得的硬度高，耐磨性也更好。渗氮层的高硬度是由于表面形成了硬质相，过饱和氮对α?Ｆｅ的时效强化，以及渗氮扩散过程中合金元素与氮的交互作用和渗氮钢的合金氮化物沉淀析出所致。在扩散层中，不同渗层深度处氮化物尺寸及结构没有差别，但是氮化物分布密度沿深度方向减小，因此硬度下降。
（2）疲劳性能
由于渗氮层中氮化物的比体积增大而存在较大的残余压应力，它能部分抵消在疲劳载荷下产生的拉应力而使疲劳强度显著提高。
（3）抗咬合性
渗氮处理均可显著提高工件的抗咬合性能。
（4）热硬性
渗氮件表面在５００℃以下可长期保持其高硬度，短时间加热到６００℃其硬度无明显下降，而当加热温度超过６００～６２５℃时，渗氮层中部分弥散分布的氮化物的集聚和基体组织的转变将使硬度下降。
（5）渗氮层的耐蚀性
钢件经渗氮后，表面形成了一层致密的、化学稳定性高的氮化物层（ε），能显著提高工件的耐蚀性。当ε相厚度在０.０１５～０.０６ｍｍ时，渗层能很好地抵抗自来水、潮湿空气、废燃气、弱碱溶液等介质的腐蚀。
（6）渗氮层脆性检验
经气体渗氮处理的工件，尤其是含铝的钢种，其渗氮层常常会产生脆性，可直接用维氏硬度计的压痕形状评定。渗氮的脆性等级判定按ＧＢ／Ｔ１１３５４—２００５执行，一般Ⅰ、Ⅱ级是合格的，Ⅲ、Ⅳ级是不合格的。脆性等级是渗氮工件的重要检测指标。
下表2是不同的材料渗氮时建议选用不同的渗层深度和表面硬度，仅供参考。
表2不同的材料渗氮时建议选用不同的渗层深度和表面硬度
设计师如采用渗氮工艺，在图样技术条件中必须注明表面硬度，常用维氏硬度表示；还要注明渗层深度、脆性等级等。白亮层ε一般控制在０.０１ｍｍ左右。对于冲击韧性要求高和重载的零件，渗氮工艺是不适用的。