渗氮钢中的相组成及形成过程简介

钢铁的渗氮过程和其他化学热处理过程一样，包括渗剂中的反应、原子在渗剂中的扩散、相界面反应、被渗元素在铁中的扩散及扩散过程中氮化物的形成。

渗剂中的反应主要指渗剂分解出含有活性氮原子的物质，该物质通过渗剂中的扩散，输送至工件表面，参与界面反应，在界面反应中产生的活性氮被表面吸收，继而向内部扩散。使用最多的渗氮介质是氨气，在渗氮温度时，氨是亚稳定的，它发生如下分解反应：

2NH₃3H₂+2[N]（7-1）

图7-1 铁氮相图

当活性氮原子遇到铁原子时则发生如下反应：

纯铁渗氮时，渗氮层中所有可能出现的相可以根据铁氮相图（见图7-1）进行分析。

纯铁渗氮层中各相的性质见表7-1。除表7-1中所列各项外，Fe-N系中可能出现含氮马氏体α′和介稳相α″。前者是渗氮后快冷的产物，呈体心正方点阵，硬度较高（可达650HV左右）；α″氮化物的分子式为Fe₁₆N₂或Fe₈N，呈体心正方点阵。

表7-1 纯铁渗氮层中各相的性质

渗氮过程不同于渗碳，它是一个典型的反应扩散过程。依照铁氮相图，可得出不同温度下渗层中各相的形成顺序及各层的相组成物，见表7-2。(www.xing528.com)

表7-2 纯铁渗氮层中各相的形成顺序及平衡状态下各层的相组成物

图7-2可说明渗氮层的形成过程。在渗氮初期的τ时刻，表层的α固溶体未被氮所饱和，渗氮层深度随时间增加而增加。随着气相中的氮不断渗入，使α达到饱和氮含量C^α_max，即τ₁时刻。在τ₁～τ₂时间内，气相中的氮继续向工件内扩散而使α相过饱和，引发α→γ′反应，产生γ′相。渗氮时间延长，表面形成一层连续分布的γ′相，达到γ′中的过饱和极限后，表面开始形成氮含量更高的ε相。

渗氮钢中加入合金元素将形成合金氮化物，不仅使渗层硬度和耐磨性提高，对渗层的深度也有明显的影响。有的合金元素可以加速渗层的形成；有的合金元素则减缓了渗层的形成速度，这些合金元素在钢中形成的合金氮化物对氮元素的渗入有阻碍作用。因此，高合金钢的化合物层和总渗层深度都比碳钢低。表7-3列出了渗氮钢中合金氮化物的晶体结构与基本特性。

图7-2 共析温度以下渗氮时氮含量与相组成的关系

低碳钢化合物层的硬度为300～600HV，中碳和高碳钢化合物层硬度为500～700HV，合金钢化合物层的硬度可达700～1100HV，高速钢化合物层的硬度高达1100～1300HV。

表7-3 渗氮钢中合金氮化物的晶体结构与基本特性

（续）