真空渗氮简介

真空渗氮工艺指向真空炉中通入氨气，可对工件进行真空渗氮，其方式类似于脉冲式真空渗碳，即工件装人真空炉后开始抽气，当真空度达到设定值后，炉子通电升温，同时抽真空，以保持炉子的真空度。炉温达到渗氮温度时，保温一段时间，其作用是净化工件表面和透烧。其后停止抽真空并向炉内通人渗氮气体，使炉压升高至一定值，保持一段时间，之后再抽真空并保持段时间，再通入渗氮气体; 如此，反复进行多次，直到渗氮层深达到要求为止。在此全过程中炉温保持不变。

例如，使用如图1所示装置，对38CrMoAI、3Cr2W8V 钢制试件进行了真空渗氮。试件装炉后首先将炉子抽真空至1.33Pa,升温至530℃或550℃渗氮温度，保温30min,以净化试件表面和透烧。之后关闭真空泵并向炉子内通人氨气，压力达0.4~0.6MPa,保持段时间，再抽真空至1.33Pa；此后交替进行“通氨-抽真空”，直至渗氮层深度达到要求，再炉冷至300℃出炉。

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真空渗氮是使用真空炉对钢铁零件进行整体加热、充入少量气体，在低压状态下产生活性氮原子渗入并向钢中扩散而实现硬化的；而离子渗氮是靠晖光放电产生的活性N离子轰击并仅加热钢铁零件表面，发生化学反应生成核化物实现硬化的。真空渗氛时，将真空炉排气至较高真空度0.133Pa（1×10-3Torr）后，将工件升至，530～560℃，同时送入以氨气为主的，含有活性物质的多种复合气体，并对各种气体的送入量进行精确控制，炉压控制在0.667Pa（5Torr），保温3～5h后，用炉内惰性气体进行快速冷却。不同的材质，经此处理后可得到渗层深为20～80μm、硬度为600～1500HV的硬化层。

真空渗氮有人称为真空排气式氮碳共渗，其特点是通过真空技术，使金属表面活性化和清净化。在加热、保温、冷却的整个热处理过程中，不纯的微量气体被排出，含活性物质的纯净复合气体被送入，使表面层相结构的调整和控制、质量的改善、效率的提高成为可能。经X射线衍射分析证实，真空渗氮处理后，渗层中的化合物层是ε单相组织，没有其他脆性相（如Fe3C、Fe3O4）存在，所以硬度高，韧性好，分布也好。“白层”单相ε化合物层可达到的硬度和材质成分有关。材质中含Cr量越高，硬度也呈增加趋势。Cr13%时，硬度可达到1200HV；含Cr18%（质量分数，余同）时，硬度可达 1500HV；含Cr25%时，硬度可达1700HV。无脆性相的单相ε化合物层的耐磨性比气体氮碳共渗组织的耐磨性高，抗摩擦烧伤、抗热胶合、抗熔敷、抗熔损性能都很优异。但该“白层”的存在对有些模具和零件也有不利之处，易使锻模在锻造初期引起龟裂，焊接修补时易生成针孔。真空渗氮还有一个优点，就是通过对送入炉内的含活化物质的复合气体的种类和量的控制，可以得到几乎没有化合物层（白层），而只有扩散层的组织。其原因可能是在真空炉排气至 0.l33Pa（1×10-3Torr）后形成的，另一个原因是带有活性物质的复合气体在短时间内向钢中扩散形成的组织。这种组织的优点是耐热冲击性、抗龟裂性能优异。因而对实施高温回火的热作模具，如用高速钢或4Cr4MoSiV（H13）钢制模具可以得到表面硬度高、耐磨性好、耐热冲击性好、抗龟裂而又有韧性的综合性能；但仅有扩散层组织时，模具的抗咬合性、耐熔敷、熔损性能不够好。由于模具或机械零件的服役条件和对性能的要求不一，在进行表面热处理时，必需调整表面层的组织和性能。真空渗氮除应用于工模具外，对提高精密齿轮和要求耐磨耐蚀的机械零件以及弹簧等的性能都有明显效果，可接受处理的材质也比较广泛。

应当指出，适宜于渗氮的钢很多，为了获得最好的表面层性能和 心部性能，根据不同需要选择不同的钢号，常用渗氮钢的性能及 用途见表1。

38CrMoAl钢

38CrMoAl钢是常用的典型渗氮用钢，其中铝与氮有极大的 亲和力，是形成氮化物，提高渗氮层强度、硬度的主要合金元 素。AlN很稳定，到约1000℃的温度在钢中不发生溶解。由于铝 的作用使钢具有良好的渗氮性能，此钢经过渗氮后表面硬度高达 1100～1200HV（相当于67～72HRC）。钢中的铬、钼也能形成氮 化物，提高渗层硬度，还能提高钢的淬透性和回火稳定性，消除 因含铝造成的晶粒粗大，提高钢的强度和韧度。此外，钼还有消 除钢的回火脆性的作用。

38CrMoAlA钢

38CrMoAlA钢的淬透性并不高，油淬时其临界直径为30mm 左右。厚度在50mm以下的，可采用油淬; 厚度超过50mm的， 多采用水淬油冷。38CrMoAlA钢的脱碳倾向较严重，若表面脱碳 层没有除尽，渗氮时易在渗氮层表面形成一种针状氮化物，不仅 使渗氮层硬度降低，也使渗氮层变脆。含铝高的钢，钢液黏性 大，冶金质量难控制，钢材易出现偏析、夹杂、发纹、岩石状断 口及层状组织等缺陷。38CrMoAlA钢的化学成分及热加工规范见 表8-5。

渗氮的目的是为了提高结构件、工具、模具的硬度、耐磨性 以及疲劳寿命，提高工件在腐蚀介质环境的耐蚀性。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。如果用碳钢进行渗氮，形成稳定性不高的Fe₄N和Fe₂N， 温度稍高，就容易聚集粗化，表面不可能得到更高的硬度，并且 其心部也不能具有更高的强度和韧性。为了在表面得到高硬度和 高耐磨性，同时获得强而韧的心部组织，必须向钢中加入一方面 能与氮形成稳定的氮化物，另外，还能强化心部的合金元素，如 Al、Ti、V、W、Mo、Cr等，均能和氮形成稳定的化合物。其中 Cr、W、Mo、V，还可以改善钢的组织，提高钢的强度和韧性。