5.3  金属的渗氮
    向金属表面渗入氮元素的工艺称为渗氮，通常也称为氮化。
    钢渗氮可以获得比渗碳更高的表面硬度和耐磨性，渗氮后的表面硬度可以高达HV950—1200(相当于HRC65～72)，而且到600℃仍可维持相当高的硬度。渗氮还可获得比渗碳更高的弯曲疲劳强度．此外，由于渗氮温度较低(500一570℃之间)，故变形很小．渗氮也可以提高工件的抗腐蚀性能．但是渗氮工艺过程较长，渗层也较薄，不能承受太大的接触应力。目前除了钢以外，其它如钛、钼等难熔金属及其合金也广泛地采用渗氮.
一、钢的渗氮原理
1． 铁—氮状态图   	
(请观看视频演示）		    铁氮状态图是研究钢的渗氮的基础。Fe-N系中可以形成如下五种相：
    α相——氮在α-Fe中的间隙固溶体。氮在α-Fe中的最大溶解度为0．1％(在590℃)。
    γ相——氮在γ-Fe中的间隙固溶体，存在于共析温度590℃以上。共析点的氮含量为2．35％(重量)。
    γ’相——可变成分的间隙相化合物。其晶体结构为氮原子有序地分布于由铁原子组成的面心立方晶格的间隙位置上．氮的含量为5．7、6．1％(重量)之间．当含氮量为5．9％时化合物结构为Fe4N．因此，它是以Fe4N为基的固溶体。γ’相在680℃以上发生分解并溶解于§相中。
    §相——含氮量很宽的化合物．其晶体结构为在由铁原子组成的密集六方晶格的间隙位置上分布着氮原子。在一般渗氮温度下，§相的含氮量大致在8．25—11．0％范围内变化。因此它是以Fe3N为基的固溶体。
    ∑相——为斜方晶格的间隙化合物，氮原子有序地分布于它的间隙位置。也可认为是§相的扭曲变体(为六方晶格)，含氮在11．0—11．35％范围，分子式为Fe2N。其稳定温度为450℃以下，超过450℃则分解。 
    在Fe-N系中，有两个共析转变温度，即650℃，§→α＋γ’，及590℃，γ→α＋γ’。其中γ相即为含氮奥氏体。当其从高于590℃的温度迅速冷却时将发生马氏体转变，其转变机构和含碳奥氏体的马氏体转变一样．含氮马氏体α’是氮在α-Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方晶格，与含碳马氏体类似。
2， 钢的渗氮过程
    钢的渗氮和其它化学热处理一样，也由五个交叉的过程所构成．但对气体渗氮来说，主要是渗剂中的扩散、界面反应及相变扩散．普通渗氮常用氨气作为渗氮介质。
    利用氨气作渗氮介质时，其活性氮原子的解离及吸收过程按下述进行．氨在无催化剂时，分解活化能为377kJ／mol，而当有铁、钨、镍等催化剂参加下，其活化能约为167kJ／mol．因此钢渗氮时氨的分解主要在炉内管道、工件，渗氮箱及挂具等钢铁材料制成的构件表面上通过催化作用来进行．通人渗氮箱的氨气，经过工件表面而落入钢件表面原子的引力场时，就被钢件表面所吸附。这种吸附是化学吸附。在化学吸附作用下，如前所述，解离出氮原子，被铜件吸收并渗入工件表面。
二、渗氮层的组织和性能
1． 纯铁渗氮层的组织和性能
    纯铁渗氮层的组织结构应该根据Fe－N状态图及扩散条件来进行分析．例如在520℃渗氮时，若表面氮原子能充分吸收，则按状态图自表面至中心依次为§相→γ’相→α相．渗层组织自表面至中心变成§→§＋γ’→γ’→γ’＋α→α相。下图为10钢650℃气体渗氮45分钟后以不同方式冷却的渗层显微组织．
    其中，a) 为随炉冷却，其渗层组织最表面为抗腐蚀的化合物层(§相)，其次为最不耐蚀的区域，为γ’＋α的混合物区(包括共析层)；
    b) 为渗氮后空冷组织，由于抑制了γ→γ’＋α的共析转变，故没有易腐蚀的区域，而由含氮奥氏体和含氮马氏体所代替；
    c) 为油冷，其渗层组织与空冷类似
				     a）随炉冷却                 b）空冷                     c）油冷
     纯铁渗氮后各渗氮相的硬度。含氮马氏体具有最高的硬度，可达HV700左右；其次为γ’相，接近于HV500；§相硬度小于HV300．快冷所获得的过饱和α固溶体及含氮马氏体α’都是不稳定相，在加热时要发生分解，并伴随着性能的变化。
     含氮马氏体α’的回火过程是：在20一180℃温度范围内回火是由淬火马氏体变成回火马氏体的过程，此时过饱和的α’相分解成氮过饱和度较小的α’相及亚稳氮化物α''相。α''相与母相共格．在温度150—330℃进行着残余奥氏体向回火马氏体的转变及氮化物α''→γ’的转变．由于这些转变形成了铁素体—氮化物混合物(γ’＋α）。在较高的温度300～550℃回火，相成分没有发生变化，仅进行着氮化物的聚集及球化过程．伴随着含氮马氏体回火过程的进行，硬度降低。
    过饱和含氮铁素体的分解(时效)。过饱和含氮铁素体在室温的停放，特别是在较高温度(50—300℃)的停放，引起过饱和相的分解，并伴随着性能的变化。过饱和固溶体的分解遵守一般相变规律。
    氮过饱和固溶体时效过程中强度、硬度，塑性的变化规律与一般合金时效过程中性能变化规律一样，即在150℃以下的温度时效，随着时效时间的延长有一硬度及强度的峰值。时效温度愈高，出现硬度峰值的时间愈早；时效温度在20一50℃之间峰值最高，此后随着时效温度的提高，峰值降低。
    但是弯曲疲劳强度则不然，它是淬火态最高，随着时效过程的进行，疲劳强度单调下降。这与渗氮层内造成残余压应力有关。因为渗氮试样疲劳强度的提高主要靠表面造成残余压应力，而时效使表面残余压应力降低。但即使这样，渗氮试样的疲劳强度仍高于未渗氮的试样。时效过程也发生在过冷含氮合金铁素体(合金钢)中。某些合金元素提高了氮在α相中的溶解度，因而提高了它的时效倾向性，可以采用时效强化。
2． 合金元素对渗氮层组织和性能的影响
    合金元素对渗氮层组织的影响，通过下列几方面作用：
(1) 溶解于铁素体并改变氮在α相中的溶解度
    过渡族元素钨、钼、铬、钛，钒及少量的锆和铌，可溶于铁索体，提高氮在。相中溶解度。例如，550℃时，铁素体中含钼1—2％时，氮在α相中的含量达0．62化含钼6．54％时，氮的含量达0．73％。又如500℃时，铁索体中含钒2．39％时，含氮可达1．5％，而含钒8％时为3．0％N。再如38Cr,38CrMo，38CrMoAl等合金结构钢渗氮时，铁索体中含氮量达0．2～0．5％。铝和硅在低温渗氮时，不改变氮在α相中的溶解度。
(2) 与基体铁构成铁和合金元素的氮化物(Fe，M)3N、(Fe，M)4N等。
    铝、硅可能还有钛、大量地溶解于γ’相中，扩大了γ’相的均相区。§相的合金化，提高了它的硬度和耐磨性。(3) 形成合金元素氮化物 
    在钢中能形成氮化物的合金元素，仅为过渡族金属中次外层d亚层比铁充填得不满的元素．过渡族金属的d亚层充填得愈不满，这些元素形成氮化物的活性愈大，稳定性愈高。镍和钴具有电子充填得较满的d亚层，虽然它们在单独存在时能形成氮化物，但是在钢中，钢渗氮时实际上不形成氮化物。氮化物的稳定性沿着下列顺序而增加：Ni→Co→Fe→Mn→C→Mo→W→Nb→Ti→Zr，这也是获得氮化物难易的顺序。
三：渗碳钢及其发展
    历史最久、国际上普遍采用的渗氮钢是38CrMoAlA。
金属的渗氮5-3.doc