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渗氮工艺的应用研究渗氮又称氮化，指使氮原子渗入钢铁工件表层内的化学热处理工艺，其目的是提高零件表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。
它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被零件吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散。
氮化通常利用专门设备或井式渗氮炉来进行。
气体渗氮在１９２３年左右，由德国人Ｆｒｙ首度研究发展并加以工业化，目前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。
由于经渗氮处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性、耐高温性、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，因而工件畸变小，已成为重要的化学热处理工艺之一，广泛应用于机械、冶金和矿山等行业的齿轮、凸轮、曲轴、工具、冷作模具、热作模具等零件和产品的表面处理。
一、氮化常用材料传统的合金钢材料中的铝、铬、钒及钼元素在渗氮过程中，与初生态的氮原子接触时，就能生成安定的氮化物，尤其是钼元素，不仅是生成氮化物元素，还能降低在渗氮时所产生的脆性。
其他合金钢中的元素，如镍、铜、硅、锰等，对渗氮特性并无多大的帮助。
一般而言，如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素，氮化后的效果比较良好。
其中铝是最强的氮化物元素，含有０．８５～１．５％铝的渗氮结果最佳，如果有足够的铬含量，亦可得到很好的效果，没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适合作为渗氮钢。
二、渗氮过程控制１．渗氮前的零件表面清洗通常使用气体去油法去油后立刻渗氮２．排除渗氮炉中的空气将被处理零件置于渗氮炉中，并将炉盖密封后即可加热，但加热至１５０℃以前须作排除炉内空气工作。
排除炉内空气的主要目的是使参与渗氮处理的气体只有氨气和氮气两种气体，防止氨气分解时与空气接触而发生爆炸性气体，及防止被处理零件及支架的表面氧化。
３．氨的分解率渗氮是其它合金元素与初生态的氮接触而进行（初生态氮的产生，由氨气与加热中的零件接触时零件本身成为触媒而促进氨的分解），虽然在各种分解率的氨气下，皆可渗氮，但一般都采用１５～３０％的分解率，并按渗氮所需厚度保持４～１０小时，处理温度保持在５２０℃左右。
离子渗氮过高
离子渗氮是一种通过辉光放电在低真空条件下，使氮离子加速并注入工件表面，形成含氮化合物层以提高金属材料耐磨性、耐蚀性和疲劳强度的化学热处理工艺。
如果离子渗氮过程中出现过高情况，可能是指以下几种含义：
1. 温度过高：离子渗氮时温度是一个关键参数，过高可能会导致：
1)表面氮化物层过厚，影响尺寸精度和机械性能平衡。
2)材料内部组织变化过大，比如过度氮化可能导致材料脆化或硬度降低。
3)深度渗氮过深，超过设计要求，对材料的韧性产生不利影响。
2. 渗氮时间过长/电流电压过高：这可能导致：
1)过度的氮原子渗透到工件深层，不仅增加成本，也可能破坏力学性能的均衡。
2)加速设备损耗，缩短设备使用寿命。
3)可能造成局部过热，引起工件变形或者微观结构损伤。
3. 离子束能量过高：
离子能量过高可能会引发非理想的物理效应，如溅射作用增强，反而降低了氮离子的有效沉积和扩散。
因此，在离子渗氮过程中，必须精确控制各项工艺参数，包括温度、时间、电压、电流以及气体压力等，确保获得合适的氮化层深度和性能。
一旦发现存在过高现象，需要及时调整工艺条件，确保符合技术规范和实际应用需求。
第2章 等离子体渗氮原理和特点2.1 等离子体渗氮的原理等离子渗氮是将待处理零件放在真空炉体中，并充以133Pa —1330 Pa 低气压的含氮气体，零件作为阴极，真空炉体的炉壁作为阳极，或者在炉体内另设金属阳极。
当阴阳极之间加上数百伏直流电压时，两极间的稀薄气体被电离，从而产生辉光放电。
所谓“辉光放电”是一种象氖光灯那样具有非常柔和和光感的“自持放电”现象。
当辉光被点燃后，工件表面布满了一层约数毫米的紫红色的辉光。
由于真空炉体中的气体被电离，空气中存在着大量的电子和离子。
正电子向作为阴极的零件运动，电子则飞向阳极。
在电子运动的过程中是真空炉体中的气体分子持续不断地被激发和游离。
这样阴阳极间就有连续的电流通过，本来不导电的气体这时变得象导体一样。
正离子在电场的加速作用下射向阴极，并在阴极位降区多次和中性气体粒子碰撞，使中性粒子具有与离子相近的能量到达零件表面。
离子和高能中性气体粒子与阴极表面碰撞后，一部分动能使零件加热到需要的渗氮温度。
高能粒子向工件轰击时，由于机械和蒸发的原因，是零件表面某些铁原子脱离基体飞溅出来，这就是所谓“阴极溅射”，被溅射出来的铁原子可能在紧靠零件表面的区域内和那里活性很强的氮离子结合形成中性的氮化铁（FeN ）分子，因凝附作用又重新沉积到零件表面。
在渗氮温度下，凝附着的FeN不稳定的，迅速分解为含氮较低Fe 2N 、Fe 3N 和 Fe 4N ，各级氮化物并放出氮原子。
一部分氮原子通过扩散进入零件表面形成氮化物，另一部分再次返回等离子区。
在邻近阴极区，氮化铁的形成以及其在阴极上的沉积是连续不断的。
这种反应阴极溅射模式一般被认为是氮等离子区进入零件表面的主要迁移形式。
另外在含氮气氛中，在辉光放电等离子轰击的作用下，也有活性（氮）原子存在，它们在邻近阴极区时也可以直接吸附在零件表面。
被零件表面吸收，扩散。
2.2 辉光放电原理简介2.2.1辉光放电的形式气体放电时阴极阳极之间的电压降和电流的关系完全不能用欧姆定律来表达，这时电流电压不是简单的线性关系，其伏安特性见图1。
钢的渗碳---就是将低碳钢在具有丰富碳的介质中加热到高温(一般为900--950C),使活性碳原子渗入钢的表面,以获得高碳的渗层组织。
随后经淬火和低温回火,使表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力,而心部仍保持足够的强度和韧性。
渗碳钢的化学成分特点 :(1)渗碳钢的含碳量一般都在0.15--0.25％范围内,对于重载的渗碳体,可以提高到0.25--0.30％,以使心部在淬火及低温回火后仍具有足够的塑性和韧性。
但含碳量不能太低,否则就不能保证一定的强度。
(2)合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性,细化晶粒,强化固溶体,影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织。
在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等。
常用渗碳钢可以分碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类。
(1)碳素渗碳钢中,用得最多的是15和20钢,它们经渗碳和热处理后表面硬度可达56--62HRC。
但由于淬透性较低,只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件,如轴套、链条等。
(2)低合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高,可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件,如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等。
(3)中合金渗碳钢如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和较高的强度及韧性,主要用以制造截面较大、承载较重、受力复杂的零件,如航空发动机的齿轮、轴等。
固体渗碳;液体渗碳;气体渗碳---渗碳温度为900--950C,表面层w(碳)为0.8--1.2％,层深为0.5--2.0mm。
渗碳后的热处理---渗碳工件实际上应看作是由一种表面与中心含量相差悬殊码复合材料。
渗碳只能改变工件表面的含碳量,而其表面以及心部的最终强化则必须经过适当的热处理才能实现。
渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火。
淬火的目的是使在表面形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织。
低温回火温度为150--200C 。
4Cr5MoV1Si模具钢离子渗氮层组织的影响因素彭少君张昭强（经阁铝业科技股份有限公司湖南长沙410126）摘要：本文通过对4Cr5MoV1Si模具钢渗氮层组织的形成机理进行深入分析研究，对4Cr5MoV1Si模具钢在渗氮中各影响因素进行了全面分析。
结果表明，采用合理的渗氮工艺将大大提升铝型材挤压工模具的寿命及性能。
关键词：离子渗氮；模具钢；渗氮工艺；铝型材1.前言渗氮又称氮化，是指使氮原子渗入工件表层内的钢铁热处理工艺，目的是提高工件的表面硬度、耐磨性、提高疲劳强度和抗腐蚀性能。
它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被零件吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散的特殊热处理过程。
铝材挤压模需要在高压高温及高强度摩擦力的条件下使用，由于工况条件恶劣，要求模具材质具有高的淬透性、高温强度、耐磨性及抗热裂能力。
4Cr5MoV1Si具有高淬透性、韧性、优良的抗热裂能力及中等耐磨损性能，热处理变形小，是目前使用最广泛和最具代表性的热作模具钢种[1]。
但4Cr5MoV1Si 挤压模具在高温下工作面抗粘合性差，使用寿命短。
实际使用中需对模具进行表面改性处理以提高使用寿命。
4Cr5MoV1Si中有较多的Cr、Mo等元素，氮化时能生成丰富稳定的氮化物并使其弥散分布，有利于提高模具的耐磨性、抗热疲劳性及抗粘合性等，离子渗氮是目前常用成熟的磨具钢表面改性技术[2]。
其工艺参数有：渗氮气氛、温度、保温时间、工作气压等。
2.渗氮工艺对渗氮层组织的影响1.渗氮气氛对渗氮层厚度的影响离子渗氮气氛中氮和碳的含量是影响化合物层相结构的重要因素。
渗氮后的渗层包括表面化合物层以及次表层的扩散层，自渗氮材料表面向内，化合物层组织是从FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N变化的，依次得到ε、γ＇、α-Fe[3]。
气氛含氮量对化合物层相结构的影响，随着气氛含氮量增加，化合物层中ε相含量增多，白亮层也随之增厚，气氛中添加含碳气体将抑制γ＇形成，而得到以ε相为主或ε单相结构的化合物层。
等离子体渗氮原理和特点2.1 等离子体渗氮的原理等离子渗氮是将待处理零件放在真空炉体中，并充以133Pa —1330 Pa 低气压的含氮气体，零件作为阴极，真空炉体的炉壁作为阳极，或者在炉体内另设金属阳极。
当阴阳极之间加上数百伏直流电压时，两极间的稀薄气体被电离，从而产生辉光放电。
所谓“辉光放电”是一种象氖光灯那样具有非常柔和和光感的“自持放电”现象。
当辉光被点燃后，工件表面布满了一层约数毫米的紫红色的辉光。
由于真空炉体中的气体被电离，空气中存在着大量的电子和离子。
正电子向作为阴极的零件运动，电子则飞向阳极。
在电子运动的过程中是真空炉体中的气体分子持续不断地被激发和游离。
这样阴阳极间就有连续的电流通过，本来不导电的气体这时变得象导体一样。
正离子在电场的加速作用下射向阴极，并在阴极位降区多次和中性气体粒子碰撞，使中性粒子具有与离子相近的能量到达零件表面。
离子和高能中性气体粒子与阴极表面碰撞后，一部分动能使零件加热到需要的渗氮温度。
高能粒子向工件轰击时，由于机械和蒸发的原因，是零件表面某些铁原子脱离基体飞溅出来，这就是所谓“阴极溅射”，被溅射出来的铁原子可能在紧靠零件表面的区域内和那里活性很强的氮离子结合形成中性的氮化铁（FeN ）分子，因凝附作用又重新沉积到零件表面。
在渗氮温度下，凝附着的FeN不稳定的，迅速分解为含氮较低Fe 2N 、Fe 3N 和 Fe 4N ，各级氮化物并放出氮原子。
一部分氮原子通过扩散进入零件表面形成氮化物，另一部分再次返回等离子区。
在邻近阴极区，氮化铁的形成以及其在阴极上的沉积是连续不断的。
这种反应阴极溅射模式一般被认为是氮等离子区进入零件表面的主要迁移形式。
另外在含氮气氛中，在辉光放电等离子轰击的作用下，也有活性（氮）原子存在，它们在邻近阴极区时也可以直接吸附在零件表面。
被零件表面吸收，扩散。
2.2 辉光放电原理简介2.2.1辉光放电的形式气体放电时阴极阳极之间的电压降和电流的关系完全不能用欧姆定律来表达，这时电流电压不是简单的线性关系，其伏安特性见图1。
关于离子氮化一.离子氮化的基本工艺过程：1.阴极溅射原理：（1）.离子渗氮炉零件为阴极，炉壳为阳极，氨在一定真空度下（1.3*102—103Pa）和一定的极间电压作用下产生电离。
在辉光放电的高压电场作用下，氨被电离成氮正离子.氢正离子及电子，正离子被电场加速轰击表面，一部分转变成热能加热零件，另一部分使离子直接渗入零件或产生阴极溅射。
（2）.被轰击出来的铁原子和得到电子的氮原子化合成FeN并被吸附在零件表面，在高温和继续离子轰击作用下，FeN转变成低价的Fe2N Fe2-3N Fe4N α-Fe （N）等。
氮化铁有什么性质？氮化表面的氮化物对材料性能有什么影响？还会生成其他的一些氮化物吗？2.溅射：离子轰击产生表面原子溅射，并形成薄（0.05mm）的位错层，促进氮原子扩散，改变了氮原子在表面的吸收，离子溅射作用使工件表面得到净化。
3.吸附：在分解成为含氮低的化合物同时，放出活性氮，一部分向零件内部扩散，形成氮化层，另一部分返回重新参加反应，并提高零件表面的氮势，被溅射的铁原子成为有力的“氮载体”.并吸附在零件表面。
4.辉光层：炉气氛中的受激原子恢复基态或电子结合成中性的原子时，发出辉光，形成几毫米厚的辉光层包围零件，氢的辉光呈淡蓝色.氮呈紫色.氨呈紫蓝色。
二．离子渗氮的工艺操作及注意事项：1.同炉处理的工件应为同种或表面积和质量之比接近的工件。
工件至阳极的距离应大致相等，并大于30mm。
工件之间应有足够大的距离并要求均匀，在工件偏低位置放置辅助阴极或辅助阳极，安放试样时应考虑温度，尽量和工件一致。
2.工件上有1-4mm孔槽易引起打弧，D4-10mm的孔槽会造成温度不均匀，锈蚀工件清洗干净后方可入炉。
3.工件装炉后，密封炉盖和放气嘴，接通阴阳极导线。
预热并校正真空计，氨气热分解炉应提前升温。
4.起动真空泵使炉子逐渐达到要求的真空度，并打开气阀充入少量的热分解氨气，使炉压在1.3—13.3Pa左右。
离子渗氮的常见缺陷
一、硬度偏低
生产实践中，工件渗氮后其表面硬度有时达不到工艺规定的要求，轻者可以返工，重者则造成报废。
造成硬度偏低的原因是多方面的：有设备方面的原因，如系统漏气造成氧化；有选材方面的原因，如材料选择不恰当；有前期热处理方面的原因，如基本硬度太低，表面脱碳等；有工艺方面的原因，如渗氮温度过高或过低，时间短或氮势不足而造成渗层太薄等等。
只有根据具体情况，找准原因，问题才会得以解决。
二、硬度和渗层不均匀
装炉方式不当，气压调节不当(如供气量过大)，温度不均，小孔、窄缝未屏蔽造成局面过热等均会造成硬度和渗层不均匀。
三、变形超差
变形是难以杜绝的，对易变形件，采取以下措施，有利于减小变形。
渗氮前应进行稳定化处理(处理次数可以是几次)直至将渗氮前的变形量控制在很小的范围内(一般不应超过渗氮后允许变形量的50％)；渗氮过程中的升、降温速度应缓慢；保温阶段尽量使工件各处的温度均匀一致。
对变形要求严格的工件，如果工艺许可，尽可能采用较低的氮化温度。
四、处观质量差
渗氮件出炉后首先用肉眼检查外观质量，钢铁零件经渗氮处理后表面通常呈银灰色或暗灰色（不同材质的工件，离子氮化后其表面颜色略有区别），钛及钛合金件表面应呈金黄色。
离子渗氮后工件表面不应有明显的电弧烧伤和剥落等缺陷，这些要求在正常情况下是完全可以达到的。
不正常的渗氮颜色有以下一些情况：
１、表面电弧烧伤：主要是由于工件表面、工件上的小孔中或焊接件的空腔内及组合件的接合面上存在含油杂质，引起强烈弧光放电所致。
２、表面剥落起皮：产生起皮的机理还不十分清楚，但在生产实践中，工件表面清理不净、脱碳或气份中含氧量过多、氮化温度过高等有时会产生起皮。
３、表面发蓝或呈紫蓝色
这是氧化造成的，如果氧化是在渗氮结束后停炉过程中产生的，则仅影响外观质量，对渗层硬度、深度无影响。
如果氧化是在渗氮过程中产生的，则将不仅影响到产品外观，而且将直接影响到渗层硬度和深度。
表面发蓝的原因可能有：炉子系统漏气，气氛中含水及含氧量过多；工件各处的温度不均匀，温度过低的部位由于渗氮较弱而呈绿色；冷却时工件各部位冷速不一致，冷得慢的部位可能呈蓝色。
４、表面发黑
这对将渗氮作为最后一道工序的零件将影响外观，但一般不影响渗层硬度和深度。
产生这种现象的原因可能是：炉子系统漏气，气氛中含水量及含氧量过高；温度过高；工件上的油污及氧化皮未去净等。
五、脉状氮化物
脉状氮化物通常又俗称脉状组织，是指扩散层中与表面平行走向呈白色波纹状的氮化物。
其形成机理尚无论，一般认为与合金元素的晶界偏聚及氮原子的扩散有关。
因此，控制合金元素偏聚的措施均有利于减轻脉状氮化物的形成。
工艺参数方面，渗氮温度越高，保温时间越长,越易促进脉状组织的形成，如工件的棱角处，因渗氮温度相对较高，脉状组织比其它部位严重得多。
离子渗氮后零件的“肿胀”现象及防治对策
攻关项目 2006年3月15日
一、“肿胀”的本质
离子渗氮后零件的“肿胀”实际上是零件尺寸变化的一种表现形式。
尺寸变化是由于渗氮时工件表面吸收了大量的氮原子，生成各种氮化物或工件表层原始组织的晶格常数增大所致，宏观上则表现为表层体积的略微增加。
渗氮后零件的“肿胀”是一种普遍现象。
各种氮化方法（气体氮化、液体氮化和离子氮化）处理后的零件或多或少总会存在一定的“肿胀”。
但应该说明的是：离子渗氮后零件的“肿胀量”较其它氮化方法要小。
这是因为：离子渗氮中的“阴极溅射”有使尺寸缩小的作用，因而抵消了一部分渗氮“肿胀量”。
二、影响“肿胀”的因素
渗氮后尺寸的胀大量取决于零件表层的吸氮量。
因而，影响吸氮量的因素均是影响“肿胀”的因素。
影响“肿胀”的因素主要有：材料中合金元素的含量、渗氮温度、渗氮时间、渗氮气氛中的氮势等。
材料中合金元素含量越高，零件氮化后的“肿胀”越大。
渗氮温度愈高、渗氮时间愈长，零件氮化后的“肿胀”愈大。
渗氮气氛的氮势越高，零件氮化后的“肿胀”愈大。
三、“肿胀”的防治办法
前以述及，“肿胀”是氮化过程中一种必然的现象，因此要彻底杜绝“肿胀”是不现实的。
我们此处所说的“防治”主要有两种含义：一是尽可能减小“肿胀”量；二是在“肿胀”不可避免的情况下，掌握“肿胀”规律，省去氮化后的再次加工。
1、减小“肿胀”的方法
①根据工件的服役条件，正确选用材料。
避免因追求工件性能而盲目使用“好”材料（高合金钢）的现象。
②根据工件的服役条件，提出合理的氮化要求，避免片面追求氮化层深度和硬度的现象。
③正确做好氮化前的预先热处理工作和“稳定化”处理，预先热处理工艺参数的制定必须正确，操作必须合理。
对形状复杂的零件，在最终精加工前必须进行一次或几次“稳定化”处理。
④在工艺允许的前提下，适当降低氮化温度，缩短渗氮时间。
⑤在保证渗氮层性能的前提下，调整渗氮气氛。
⑥合理装炉，确保同炉工件温度的均匀性。
2、“肿胀”规律，省去氮化后的再次加工
一般说来，在选材、工艺制定正确的前提下，如能合理装炉，正确操作，则工件的“肿胀”是有一定规律的。
掌握了“肿胀”的规律后，即可在氮化处理前的最后一道加工工序中根据“肿胀”量使工件尺寸处于负偏差，工件经氮化处理后尺寸可正好处于要求的尺寸公差范围内，因而可省去氮化后的再次加工。
