金属渗氮技术的起源、发展与进步

郝赛　杜凯

摘 要：渗氮技术是在低于钢铁材料临界点Ac1基体不发生相变的前提下，将活性氮原子渗入制件表层的化学热处理工艺。文章论述了渗氮技术的发展和演变史，对其应用加以介绍。

关键词：渗氮技术；起源；发展

1 渗氮技术起源

渗氮技术对于近代金属表面热处理工艺来说，已经有了百余年的历史，这种现象已经早已出现在古代的生产生活中。在古人制造剑时，工匠们其实采用了添加毛发和指甲的渗碳技术，大家知道在指甲和毛发中，含有一定量的氮，工件在处理后，会产生一定的渗碳增氮效果，碳氮共渗的开始很可能就是从此。在古文献的分析中，仅采用含氮物质的处理方法古人也曾实施。《武备志》中有：“刀方：羊角、铁石、砂。”其中砂的主要成分就是氯化胺，而氯化胺加热就会分解出活性氮。除此之外，古文献中还有以硝作为主要渗剂的表面处理方法。《物理小识》“器用类·淬刀法”中还提及“以酱同硝涂錾口，煅赤淬火”其中酱可能是作为黏结剂，而硝酸钾为主要渗剂。《篆刻度》也有记述：“尝见炼新刀者，用猪牙、头发及硝，各烧灰等分，酽醋调画刀口，如锯齿状，号为马牙钢。”其中的供氮原料硝是硝酸钾。硝酸钾加热分解出的亚硝酸钾，会进一步在加热的过程中析出氮原子，故可将硝酸钾作为渗氮剂。以硝酸钾为渗氮剂的渗氮方法，在现在仍被应用来代替氰化盐进行液体渗氮。由于氯化胺和硝酸钾的有效作用温度均小于700℃，古人处理温度一般不高，因此，可以认为上述处理的主要效果是渗氮。[1]由此可见，渗氮技术的产生来源于古代人民的生产尝试，可以说这是一种对于经验的升华。下面笔者将具体介绍一下现代的渗氮技术。

2 渗氮技术原理

渗氮是在一定介质中一定温度下使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺，是指在不高于A1温度下氮以铁的化合物形式和间隙固溶形式存在于被处理件表层，以提高表层硬度，达到改善材料耐磨性为主要目的的一种表面处理技术。其实，传统的渗氮技术是把工件放入密封容器中，通有流动的氨气，并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。倘若在渗氮过程中同时渗入碳来促进氮的扩散，把这种渗氮过程叫做氮碳共渗。

3 渗氮技术发展

20世纪初，钢铁渗氮进入研究阶段，获得工业应用是在20年代以后。在开始阶段，气体渗氮仅限于含铬钢和铝钢，后来才逐渐扩大到其他钢种。从70年代开始，渗氮从理论到工艺都迅速发展并且日益完善，适用范围也不断扩大，成为重要的化学热处理工艺之一。

随着金属渗氮技术的发展，出现了一些常用高效的渗碳方法。下面文章将逐一进行介绍。

3.1 多段渗氮法

多段渗氮法包括一、二、三段渗氮法。其实它们是三个阶段。一段渗氮法又称等温渗氮。它是是最初的渗氮工艺，也就是就是在同一渗氮温度下、长时间保温的渗氮方法。而二段渗氮方法，是为缩短渗氮的时间，且保持较高的硬度而发展。二段渗氮工艺，第一阶段一般先在500℃左右渗氮一段时间，这样可使工件表面形成高度弥散的氮化物颗粒，从而保证硬度。而三段渗氮是在二段氮化的基础上发展起来的，它可将氮化的时间进一步缩短。[2]

3.2 气体渗氮技术

气体渗氮以提高技术的耐磨为主要目的，为了能够获得高的表面硬度。气体渗氮过程，可以简单分成分解，吸收和扩散三个阶段。通常用氮化炉氮化，氮化炉氮化就是往不锈钢真空密封罐中通入氨气，加热到520℃，保持适当的时间，使渗氮工件表面获得含氮强化层，得到高硬度，高耐磨性，高疲劳极限和良好的耐磨性。

3.3 盐浴渗氮技术

盐浴渗氮工艺作为一种旨在改善材料表层硬度和耐磨性的表面改性技术，其发展经历了约一个世纪，从最初以剧毒氰化物为主元的盐浴成分逐步发展为以氰酸盐为主元的无污染低温盐浴渗氮处理系列技术。[3]

3.4 离子渗氮技术

离子渗氮是将工件放在辉光放电装置的真空容器中，工件为阴极，容器壁或另设金属板为阳极，充有稀薄的含氮气体，在直流高压的电场的作用下，气体原子电离成离子，使之以较高的速度撞击工件，阴极表面上氮离子失去能量被工件吸收，并向内部扩散形成渗氮层的过程。

4 渗氮技术的进步

随着工业的现代化高速发展对高生产率的需求以及人们对生产经济性和环境友好性的追求，渗氮技术随之有了新的发展和提升。新技术的提升在于工艺的优化、方法的改良或是制备途径的创新。

4.1 增压气体渗氮

增压脉冲工艺不仅可降低氨分解率、提高渗速，能节约氨气25%左右，而且有较好的渗层质量和较高的渗氮速度，此工艺能在大面积装炉量的情况下，得到良好的工艺效果。[4]

4.2 真空脉冲氮碳共渗

真空脉冲氮碳共渗，采用脉冲法进行共渗，气源为氨气和无水乙醇。从实验来看，相比真空渗氮，真空氮碳共渗得到的工件有更高的抗咬合性和耐磨性，而且周期短，脆性小。真空脉冲氮碳共渗处理的工件，渗层均匀、致密。它不但袭承真空渗氮的优点，而且以其脆性小、渗速快、抗咬合性和耐磨性好等优点，使经其处理过的模具寿命大幅提高，企业经济也有增益。

4.3 真空脉冲渗氮

真空脉冲渗氮技术是指在近似真空环境下（一般为-0.1MPa），向渗氮炉中通以氨气而进行渗氮的技术。如果在真空渗氮中我们改变其工艺参数等条件，可以对渗氮层的成分以及结构进行控制。对于其他渗氮技术不好满足要求的狭缝及微孔渗氮来说，真空脉冲渗氮技术为其带来了福音。脉冲渗氮，从字面上就能理解，我们采用脉冲式供氮，这样工件上的一些不易渗氮的结构，如盲孔以及压紧的平面，都可以得到良好均匀的渗氮结果。故此，炉内可以装较多工件而不必担心渗氮不均匀的问题。真空脉冲渗氮技术，生产效率高，氨气消耗量少，且有害气体产生少。

4.4 活性屏離子渗氮技术

活性屏离子渗氮技术是指在一个放在真空容器的铁网状的圆筒上接上高压直流电源，工件则在网罩的中间，工件或是呈电悬浮状态，或是与100V左右的直流负偏压相接。接通电源后，在低压反应室里的气体被电离。被激活的离子会在直流电场作用下轰击圆筒的表面，离子撞击产生的动能在圆筒表面转变成热能，圆筒从而被加热。待微粒吸附到工件表面，高含氮量的微粒便向工件内部扩散，达到渗氮的目的。[5]

5 渗氮技术的未来展望

渗碳技术能够提高金属材料的耐磨性、抗疲劳性、耐蚀性及使用寿命。能使表面改性显著，且处理前后尺寸变化小，保持制件的精度。金属热处理的初衷就是加强材料的力学以及工性能。而普通的热处理已经逐渐不能满足对人们生产的需求。我们愈发需求的是材料的表面高强度或是表面优良性能，既在不影响材料使用性能的的前提下，尽量对材料的局部进行改变而非全盘改变。表面工程技术很好地解决了这个问题，而表面渗氮技术作为表面工程技术的一个重要分支，在金属表面处理中发挥着愈来愈重要的作用。在21世纪里，随着渗氮工艺的不断完善，低成本、高精度、高质量，且有利于环保的渗氮新技术将是渗氮技术发展的重要方向。

参考文献

[1]唐电，邱玉朗，陈再良.中国古代的钢铁渗碳和渗氮技术[J].金属热处理，2002，27（8）：50-53.

[2]胡明娟，潘健生.钢铁化学热处理原理[M].上海：上海交通大学出版社，1996.

[3]韦习成.盐浴渗氮技术的现状和发展思考[J].热处理，2005，20（2）：16-19.

[4]翟宝隆.增压气体渗氮探讨[J].金属热处理，1998，8：27-28.

[5]赵程.活性屏离子渗氮技术的研究[J].金属热处理，2004，29（3）：1-4.