氮化处理是一种表面硬化处理。它利用从部件表面渗入的氮，从而使表面硬化。通过这种方式，可以提高部件的耐磨耗性、耐疲劳性和耐蚀性。使氮和碳同时渗入钢中的热处理被叫作软氮化处理。
近年来，在气体氮化以及气体软氮化领域，处理气氛的检测技术采用了氢传感器，预测技术利用了计算状态图，这些都有了发展。氮化控制实现了氮化处理的自动化、稳定化，同时减少了氮化气体的使用量。并且，通过对表面氮化合物层进行有选择的生成，提升了氮化处理钢材的力学性能。
1 气体软氮化示例
气体软氮化处理的钢种包含软钢、碳素钢、低合金钢等。图 1（a）展示了气体软氮化处理钢种的金属组织的一个实例。图 1（b）呈现了气体软氮化处理钢种的硬度分布的一个实例。在金属组织里，未被腐蚀液腐蚀的白色层为化合物层，其厚度在数微米至数十微米之间。化合物层的主要构成相有铁氮化合物的ε相（Fe2-3N）以及γ'相（Fe4N）。化合物层向内的部分是由氮化物生成元素（如 Cr 等）形成的微细合金氮化物的扩散层。含有氮化物生成元素的钢种，其扩散层硬度很大。扩散层硬化的机制是微细合金氮化物的析出而实现强化。碳素钢虽因固溶强化会发生硬化，但硬化程度不如合金钢。碳素钢的化合物层硬度约为 500HV，合金钢的化合物层硬度约为 800HV，且化合物层的硬度会因合金成分的不同而有所差异。
碳素钢氮化处理后冷却速度若缓慢，固溶的氮在冷却过程中会以氮化物形态析出，这会导致氮化处理部件的疲劳极限下降。合金钢中存在合金元素的氮化物析出情况，故而合金钢氮化处理部件的性能不会受冷却速度和温度的影响。薄且硬的化合物层与扩散层相组合，提升了氮化处理部件的耐磨耗性、抗热粘结性、耐疲劳性以及耐蚀性。
2 气体软氮化的处理气氛控制
氢传感器能够连续测定氢浓度，它可以对气体软氮化的处理气氛进行控制。利用氢传感器的处理气氛控制系统，同时借助炉内加热带与非加热带的温度差所引发的热对流，能将炉气导入到设置在炉壁外的热传导传感器中。因此，不需要输气配管，从而使系统结构更加简单。此外，有一种固体电解质氢传感器，它将炉内的氢分压与参照气体的氢分压的差压作为电动势。这种传感器已经在处理气氛控制中得到了实用化。使用这种固体电解质氢传感器的处理气氛控制系统，其传感器安装在处理炉的加热带。因此，对处理气氛的控制更加灵敏。
氮势 KN 等于（PNH3 除以 PH2 的 1.5 次方），它是氮化作用强度的参数。通过使用 KN，能够从图中得知某一温度下的稳定氮化相。图 2（a）是借助软件 Themo-Calc 绘制出来的图。从该图可以看出，在高温且 KN 较高的情况下，稳定氮化相是成分范围较大的 ε 相。γ'相是在低温且 KN 较低时的稳定氮化相，γ'相的成分范围比较狭窄，在 5.88%N 附近。计算 KN 时，需要有炉内的氢分压（PH2）以及氨分压（PNH3）。然而，许多处理气氛系统是通过导入炉内的各种气体流量比、气体成分和炉内氢分压测定值来进行计算推定，从而得出氨分压。并且，这个计算是在假定炉内元素构成比保持不变以及能够正确记录炉内各气体之间反应的条件下进行的。所以，在处理工件搬送时的外界干扰以及惰性气体吹扫导致炉内元素构成比发生变化的情况时，氨分压的计算推定结果会存在误差，对此需要加以注意。
软氮化处理会使用添加了含碳的气体，因此炉气具备渗碳作用。渗碳作用的大小可以用碳势 KCW 和 KCB 来表示。其中，KCW 是用水性气体反应基准来定义的碳势，其表达式为 KCW = PH2 ·PCO /PCO2。而 KCB 是用布德瓦（ブ—ドワ）反应基准来定义的碳势，其表达式为 KCB = PCO2 /PCO2。KCM、KCB 和 KN 的计算方法是相同的。当氢分压被确定下来之后，KCM、KCB 和 KN 也就随之确定了。然而，实际上存在外部混入的氧化性气体对其产生影响。因此，采用对炉内氢分压以及氧化性气体成分进行测定钢材力学成分检测，并且对炉气成分进行修正的方法。
根据 KN、KCM（或 KCB）以及温度，能够推断出气体软氮化处理材的稳定相。图 2（b）是通过软件 Themo-Calc 生成的 Fe-N-C 系 560℃等温势图。此图的特点在于，ε相拥有很宽的稳定相区域。倘若添加碳势，那么 ε相的稳定相区会朝着低 KN 侧进行扩展。相反，在高碳势侧不存在 γ'相。在高碳势侧存在 θ相和渗碳体的稳定区域。提高可吸热转变气体在氮化气氛中的占比，在氮化处理工件表面形成薄的渗碳体层，这是高碳势产生的结果。气体软氮化气氛的 KCW 为：使用可吸热转变气体时其值在 0.5 - 3 之间，使用二氧化碳时其值在 0.05 - 0.5 之间。气体软氮化气氛通常多为 2 - 5 。
3 气体软氮化化合物层的相构成
利用 EBSD 的电子束衍射能够判定电子束照射部位的晶体结构。一般情况下，会将 EBSD 配置在 SEM 上进行使用。在氮化处理所产生的相中，γ'相（Fe4N）的 Fe 原子配置为 FCC 结构，ε相（Fe2 - 3N）的 Fe 原子配置为 HCP 结构，母相α相（铁素体）的 Fe 原子配置为 BCC 结构。这些相的晶体结构存在差异。因此，在利用 EBSD 对晶体结构进行解析之后，就能够对各相进行鉴别。
在 560℃且 KN=3.5 的相同条件下，对各钢种进行气体软氮化后进行 EBSD 测定，其相分布如图 3（a）。气体软氮化的 SPCC 钢，从表面开始依次有 ε 相、γ'相、α 相。在 ε 相与母相 α 相之间存在薄层的 γ'相。Du 等人通过解析和数值计算得出的纯铁氮化和软氮化的化合物层成长过程，与上述气体软氮化 SPCC 钢的相构成较为相近。气体软氮化的 S35C 钢，其表面为 ε 相。在母相与化合物层的界面处，存在着 ε 相和 γ'相的混合相。并且，还有 ε 相与 α 相邻接的部分。气体软氮化钢的化合物层主要是单相 ε 相，而 γ'相则是零散分布的。
在相同氮化条件下，钢种不同则其化合物层的相结构不同。这种现象在低 KN 下更为显著。图 3（b）是低 KN 条件下（560℃、KN = 1.0）气体软氮化的图 3（a）钢种的 EBSD 测定的相分布图。SPCC 的化合物层是单相γ'相，这与 Fe - N 系势图所示结果一致。不过，其化合物层的厚度约为 KN = 3.5 时的一半。原因在于，当 KN = 1.0 时，γ'相的成分范围较为狭窄，且其成长速度比 ε 相慢。另外，气体软氮化的 S35C 与其他物质的化合物层的相结构存在很大差异。S35C 化合物层的相结构主要是 γ'相，而其他物质的化合物层的相结构主要是 ε 相。由此可以推断出，上述气体软氮化钢化合物层的 ε 相稳定性从高到低的顺序为：（未知物质）、S35C、SPCC。这种差别一方面是氮向化合物层渗入和扩散存在不同钢材力学成分检测，另一方面是碳向化合物层渗入和扩散有差异。
梅原等人指出，在氮化处理过程中，碳素钢化合物层相的构成会随时间发生变化。这种变化是钢表面脱碳以及碳从母材向化合物层供给所导致的，进而引起了化学势梯度的变化。对于 KN = 3.5 气体软氮化的 S35C 来说，其母材中的碳会进入化合物层，使得 ε 相得以稳定。因此，在母材与化合物层的界面处存在着 ε 相。KN10 气体软氮化时，化合物层表面的脱碳情况比母材向化合物层的碳供给要多。因此，化合物层的主相为γ'相。S35C 这类母材的碳浓度基本相同，所以，其化合物层的相结构受合金元素的影响较大。浅田等人针对气体软氮化 Fe-Cr-0.2C 合金的研究报告表明，Cr 含量升高时，化合物层与母材界面处的ε相会增多。由此可以认为，母材向化合物层供给碳时，合金成分会以某种机制对碳的供给速度和 ε 相的稳定性产生影响。
即使在相同条件下对钢进行气体软氮化处理，因为碳含量和合金元素添加有所不同，所以不同钢种的化合物层的相结构不一样。气体软氮化的处理条件可选择的范围很宽泛，所获得的力学性能也有很多种。另外，氮化处理的一个特点是能耗较少。使用氮化处理对于达成可持续发展是很有益的。
《世界金属导报》
2023年第28期 B12
