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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

(请观看视频演示）

1．铁—氮状态图

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