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渗碳氮化工艺详解，渗氮操作规程常见问题与解决技巧
渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。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，氨气热分解产生活性氮原子，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。如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。常用的是气体渗氮和离子渗氮。
原理应用
渗入钢中的氮一方面由表及里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。与渗碳工艺相比，渗氮温度比较低，因而畸变小，但由于心部硬度较低，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。渗氮有多种方法，常用的是气体渗氮和离子渗氮。
钢铁渗氮的研究始于20世纪初，20年代以后获得工业应用。最初的气体渗氮，仅限于含铬、铝的钢，后来才扩大到其他钢种。从70年代开始，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。
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。它适用于38CrMoAl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，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。但由于渗氮层较薄，不适于承受重载的耐磨零件。
气体渗氮可采用一般渗氮法(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。这种工艺适用于渗层浅、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采用不同温度、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50小时，能获得较深的渗层，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 550～700℃之间,保温0.5～3小时，氨分解率为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、过热蒸汽、气体燃烧产物等的腐蚀。
正常的气体渗氮工件，表面呈银灰色。有时，由于氧化也可能呈蓝色或黄色，但一般不影响使用。
渗氮工艺 常用的气体渗氮工艺有等温渗氮、二段式渗氮和三
段式渗氮三种方法。
a.等温渗氮 也称一段式渗氮法。它是在恒温下进行长时间保温的渗氮工艺，渗氮温度510~530℃，其渗氮工艺曲线如图2-42所示。
第一阶段保温15~20h，为吸氮阶段。这一阶段采用较低的氨分解率(18%25%)。零件表面因洗后大量氮原子而与零件心部形成氮浓度差。第二阶段为扩散阶段。在这个阶段为家少活性氮原子的数量而将氨分解率提高到30%~40%，保温时间在60h左右。
为减少渗氮层的脆性，在渗氮结束前2~4h进行退氮处理，氨分解率提高到70%以上，退氮温度提高到560~570℃。
等温渗氮工艺过程简单，渗氮温度较低、渗层浅、零件变形小、表面硬度高，但渗氮速度慢，产生周期长，适用于渗氮深度浅，尺寸精度和硬度要求高的零件。
b.两段式渗氮 两段式渗氮工艺曲线如图2-43所示。第一阶段的工艺参数(除保温时间外)与等温渗氮相同。第二阶段把渗氮温度提高到550~560℃，以加速氮原子的扩散，缩短渗氮周期，氨分解率提高到40%~60%。根据对渗氮层的脆性要求，急速前也应提前2h提高氨分解率和温度进行退氮处理。
两段式渗氮的时间比等温渗氮短，表面硬度稍微低，变形略有增大，适用于渗氮层较深批量较大的零件。
c.三段式渗氮 三段式渗氮工艺曲线如图2-44所示。
它是在二段式渗氮基础上发展起来的。这种工艺是将第二阶段的温度适当提高，以加快渗氮过程，同时增加较低温度的第三阶段，以弥补因第二阶段氮的扩散快而使表面氮浓度过低，保证表面含氮量以提高表面硬度。
三段式渗氮能进一步提高渗氮速度，但硬度比一般渗氮工艺低，脆性、变形等比一般渗氮工艺略大。
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。离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度。由于离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，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可适当缩短渗氮周期;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，已用于机床丝杆、齿轮、模具等工件。
一、优点：渗氮时间短，质量容易控制，氮化层耐疲劳、有高强度，由于氮化温度在520-540，所以工件变形小，表面抗磁性高。
二、缺点：设备控制复杂，炉温均匀性不好。
低温氮碳共渗又称软氮化,即在铁-氮共析转变温度以下，使工件表面在主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。碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。此外，碳在氮化物中还能降低脆性。氮碳共渗后得到的化合物层韧性好，硬度高，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530～570℃，保温时间1～3小时。早期的液体盐浴用氰盐，以后又出现多种盐浴配方。常用的有两种：中性盐通氨气和以尿素加碳酸盐为主的盐，但这些反应产物仍有毒。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，如甲酰胺、三乙醇胺等。
氰化cyaniding，指高温碳氮共渗(早期的碳氮共渗是在有毒的氰盐浴中进行)。由于温度比较高，碳原子扩散能力很强，所以以渗碳为主, 形成含氮的高碳奥氏体，淬火后得到含氮高碳马氏体。由于氮的渗入促进碳的渗入, 使共渗速度较快，保温4～6h可得到0.5～0.8mm的渗层，同时由于氮的渗入，提高了过冷奥氏体的稳定性，加上共渗温度比较低，奥氏体晶粒不会粗大，所以钢件碳氮共渗后可直接淬油，渗层组织为细针状的含氮马氏体加碳氮化合物和少量残余奥氏体。碳氮共渗层比渗碳层有更高的硬度、耐磨性、抗蚀性、弯曲强度和接触疲劳强度。但一般碳氮共渗层比渗碳层浅，所以一般用于承受载荷较轻，要求高耐磨性的零件。
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。
在渗氮零件的整个制造过程中，渗氮往往是最后一道工序，至多再进行精磨或研磨。渗氮零件的工艺流程一般为：锻造→正火(退火)→粗加工→调质→精加工→去应力→粗磨→渗氮→精磨→装配。
氮化前的预热处理包括正火(退火)、调质处理、去应力。
a.正火(退火)，其目的是细化晶粒、降低硬度、消除锻造应力。
b.调质处理，可以改善钢的加工性能，获得均匀的回火索氏体组织，以保证零件心部有足够的强度和韧性，同时又能使渗氮层和基本结合牢固。
c.去应力处理，对于形状复杂的精密零件，在渗氮前应进行1~2次去应力，以减少渗氮过程中的变形。
a.去污处理。零件装炉前要用汽油或酒精进行脱脂、去污处理，零件表面不允许有锈蚀及脏污。
b.防渗处理。对零件非渗氮部分，可用电镀或涂料法进行防渗氮处理。
c.渗氮件的表面质量应良好，不允许有脱碳层存在，因此，零件在预先热处理前应留有足够的加工余量，以便在渗氮前的机加工能将脱碳层全部去除，以保证渗氮层的质量。
d.装炉前检查设备和渗氮夹具、电系统、管道、氨分解测定仪等应保证正常使用;渗氮夹具不允许有脏物或氧化皮，如有应清除。
e.随炉试样。随炉的试样应与渗氮零件通材料并经过同样的预先处理。
※氮化表面硬度或深度不够
(1)可能是钢料化学成分不适合作氮化处理
(2)可能是氮化处理前的组织不适合
(3)可能是氮化温度过高或太低
(4)炉中之温度或流气不均匀
(5)氨气的流量不足
(6)渗氮的时间不够长
※氮化工件弯曲很厉害
(1)氮化前的弛力退火处理没有做好
(2)工件几何曲线设计不良，例如不对称、厚薄变化太大等因素
(3)氮化中被处理的工件放置方法不对
(4)被处理工件表面性质不均匀，例如清洗不均或表面温度不均等因素
※氮化工件发生龟裂剥离现象
(1)氨的分解率超过85%，可能发生此现象
(2)渗氮处理前工件表面存在脱碳层
(3)工件设计有明显的锐角存在
(4)白层太厚时
※氮化工件的白层过厚
(1)渗氮处理的温度太低
(2)氨的分解率低于15%时，可能发生此现象
(3)在冷却过程不恰当
※氮化处理时之氨分解率不稳定
(1)分解率测定器管路漏气
(2)渗氮处理时装入炉内的工件太少
(3)炉中压力变化导致氨气流量改变
(4)触媒作用不当
※工件需进行机械加工处如何防止渗碳?
(1)镀铜法，镀上厚度20mm以上的铜层
(2)涂敷涂敷剂后干燥，可使用水玻璃溶液中悬浮铜粉
(3)涂敷防碳涂敷剂后干燥，主要使用硼砂和有机溶剂为主
(4)氧化铁和黏土混合物涂敷法
(5)利用套筒或套螺丝
※渗碳后工件硬度不足
(1)冷却速度不足，可利用喷水冷却或盐水冷却
(2)渗碳不足，可使用强力渗碳剂
(3)淬火温度不足
(4)淬火时加热发生之脱碳现象所导致，可使用盐浴炉直接淬火
※渗碳层剥离现象
(1)含碳量之浓度坡度太大，应施以扩散退火
(2)不存在中间层，应缓和渗碳的速率
(3)过渗碳现象，可考虑研磨前次之渗碳层
(4)反复渗碳亦可能产生渗碳层剥离的现象