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氮化处理简介
在传统的合金钢材料中，铝、铬、钒和钼等元素对于渗氮过程极为有益。当这些元素在渗氮的温度下与氮原子相遇时，它们能够形成稳定的氮化物。特别是钼，它不仅能够促进氮化物的生成，还能有效减少在渗氮过程中产生的脆性。而其他合金钢中的成分，如镍、铜、硅、锰等，对渗氮性能的提升作用并不显著。通常情况下，若钢材中掺杂了能够形成氮化物的元素，那么经过氮化处理后的效果往往更为理想。特别是铝，作为氮化物形成的强力元素，当其含量在0.85%至1.5%之间时，渗氮效果最为出色。对于含有铬的铬钢来说，只要铬的含量足够，同样能够达到良好的效果。然而，不含合金成分的碳钢则不适宜用作渗氮钢，因为其生成的渗氮层较为脆弱，容易出现剥落现象。
一般常用的渗氮钢有六种如下：
（1）含铝元素的低合金钢（标准渗氮钢）
SAE 4100、4300、5100、6100、8600、8700、9800系列的中碳低合金钢含有铬元素。
热作模具钢材，含有大约5%的铬元素，型号为SAE H11，以及SKD-61、H12和H13。
（4）铁素体及马氏体系不锈钢 SAE 400系
（5）奥氏体系不锈钢 SAE 300系
对析出的硬化型不锈钢进行分类，包括17-4PH、17-7PH以及A-286等型号。
含有铝元素的渗氮钢在经过氮化处理之后，能够获得极高的硬度和耐磨性强的表面层，然而其硬化层却相对脆弱。相较之下，含有铬的低合金钢虽然硬度不高，但其硬化层却表现出良好的韧性，且表面也具备不错的耐磨性和耐冲击性。因此，在挑选材料时，应当关注材料的特性，充分发挥其优势，以确保零件能够满足其功能需求。至于H11（SKD61）和D2（SKD-11）这类工具钢，它们不仅具备优异的表面硬度，而且中心部分的强度也相当高。
作用
增加钢件的耐磨性、表面硬度、疲劳极限和抗蚀能力。
技术流程
渗氮前的零件表面清洗:
大部分零件在经过气体去油法去油处理之后，可以立即进行渗氮处理。然而，某些零件在渗氮前需要先用汽油进行清洗。需要注意的是，如果这些零件在渗氮前的最后加工步骤是抛光、研磨或磨光，那么可能会形成一层阻碍渗氮的表面层，导致渗氮后的氮化层不均匀或出现弯曲等缺陷。在这种情况下，建议采用以下两种方法之一来去除表面层。第一种方法是在渗氮前，首先使用气体去油。接着，采用氧化铝粉末对表面进行喷砂加工，；而另一种技术则是通过磷酸皮膜对表面进行处理。
渗氮炉的排除空气:
将待加工的零件放入渗氮炉内，随后封闭炉盖，然后开始加热过程，不过在进行到150℃之前，必须进行炉内空气的排除操作。
炉内主要功能在于阻止氨气在分解过程中与空气接触，从而避免产生爆炸性气体，同时还能防止处理物和支架表面发生氧化。所采用的气体包括氨气和氮气两种。
排除炉内空气的要领如下：
将待处理的零件安置妥当后，需将炉盖严密封闭，随后启动无水氨气的输送，确保其流量尽可能大。
将加热炉的自动温度控制系统调整至150℃，随后启动加热程序（务必确保炉内温度不超过150℃）。
当炉内空气含量降至10%以下，或者排放的气体中氨气含量超过90%时，便需将炉内温度提升至渗氮所需的温度水平。
氨的分解率
渗氮过程涉及氮气及其他合金元素与新生成的氮发生反应，然而新生氮气的生成，主要是由于氨气在加热的钢料表面充当催化剂，从而加速了氨的分解。
在各种不同分解率的氨气环境中，氮化处理都是可行的，然而普遍情况下会选择15%至30%的分解率进行操作，同时为了达到渗氮所需的厚度，处理时间至少需维持4至10小时，并且处理温度需稳定在约520℃。
冷却
众多工业渗氮炉普遍配备有热交换设备，旨在渗氮作业结束后迅速对加热炉和待处理零件进行冷却。具体操作为，渗氮过程结束后，关闭加热电源，使炉内温度下降大约50℃，随后将氨气流量提升至原来的两倍，并启动热交换机。在此过程中，需密切留意连接在排气管上的玻璃瓶内是否有气泡冒出，以此验证炉内是否保持正压状态。待炉内氨气稳定后，应逐步降低氨气输送量，直至维持炉内正压。一旦炉温降至150℃以下，必须采用之前提及的排除炉内气体方法，导入空气或氮气，方可安全开启炉盖。
气体氮化
1923年，德国AF ry首次提出了氮化工艺，该工艺涉及将工件放入炉中，通过将NH3气体直接输送至500至550摄氏度的氮化炉中，持续20至100小时，以此促使NH3气体分解成原子态的氮气（N）和氢气（H），进而实现渗氮处理。这一过程的主要目的是在钢的表面形成一层耐磨且耐腐蚀的化合物层，其厚度大约在0.02至0.02毫米之间，该层物质硬度极高，Hv值在1000至1200之间，但同时也非常脆弱。NH3的分解率会受到气体流量和温度的影响，流量越大，分解度越低；流量越小，分解率越高。同样，温度越高，分解率也越高；温度越低，分解率同样降低。在570摄氏度时，NH3气体的热分解情况如下：
NH3 →〔N〕Fe + 3/2 H2
分解所得的N元素随之扩散至钢材表面，进而形成Fe2-3N相的气体渗氮层。这种处理方式通常存在两个不足：一是硬化层较薄，二是氮化处理所需时间较长。
由于氮化气体分解NH3的渗氮效率不高，因此通常会选择适合氮化的钢种，这类钢种通常含有Al、Cr、Mo等氮化元素。如果没有这些元素，氮化过程几乎无法进行。一般会选择JIS、SACM1新JIS、SKD61等钢种进行强韧化处理，这种处理也称为调质。Al、Cr、Mo等元素能够提升变态点温度，因此淬火温度较高，回火温度也比普通构造用合金钢要高。这是因为在氮化温度下长时间加热时，可能会出现回火脆性，因此需要预先进行调质强韧化处理。氨气在氮化过程中，由于处理周期较长，导致表面变得较为粗糙，材质变得坚硬且较为脆弱，不利于研磨加工。此外，长时间的氮化处理成本较高，因此不经济。这种氮化工艺适用于塑胶射出成型机的送料管和螺旋杆。
液体氮化
液体软氮化的显著特点是氮化层中存在Fe3Nε相和Fe4Nr相，而不含有Fe2Nξ相的氮化物。这种ξ相化合物因其硬脆特性，在氮化处理过程中不利于提高韧性。具体操作方法包括：首先对工件进行除锈、脱脂处理，然后进行预热，随后将其放入氮化坩埚中。坩埚内主要使用TF-1作为主盐剂，并将温度升至560至600摄氏度，处理时间从数分钟到数小时不等。根据工件所承受的外力负荷大小，确定氮化层的深度。在处理过程中，需要在坩埚底部通入一根空气管，以一定量的空气使氮化盐剂分解为CN或CNO，并渗透扩散至工件表面。这样，工件表面的最外层化合物中含有8至9%wt的氮以及少量的碳和扩散层。氮原子会扩散进入α-Fe基体中，从而提高钢件的耐疲劳性。在氮化期间，由于CNO的分解消耗，需要不断在6至8小时的处理过程中检测盐剂成分，以便调整空气量或添加新的盐剂。
铁金属是液体软氮化处理所采用的材料，氮化后的表面硬度与所含的Al、Cr、Mo、Ti等元素有关，其中含有这些元素的材料硬度较高。同时，材料的含金量越高，氮化深度就越浅。例如，炭素钢的硬度在Hv 350～650之间，不锈钢的硬度在Hv 1000～1200之间，而氮化钢的硬度则在Hv 800～1100之间。
液体软氮化技术适用于多种汽车零件，如耐磨部件和耐疲劳部件，包括缝纫机的气缸套、照相机的相关部件、活塞筒以及不易变形的模具等。这项技术已在多个国家得到应用，其中包括西欧的多个国家、美国、苏联以及日本。
离子氮化
该工艺涉及将工件置入氮化炉中，先在炉内抽真空至10-2～10-3 Torr（毫米汞柱）范围，然后注入N2气体或N2与H2的混合气体，调节炉内压力至1～10 Torr，并将炉体连接阳极，工件连接阴极，两极间施加数百伏直流电压。在此过程中，炉内N2气体产生辉光放电形成正离子，朝工件表面移动。当阴极电压骤降时，正离子高速撞击阴极表面，将动能转化为气能，从而提升工件表面温度。氮离子撞击工件表面，将Fe、C、O等元素击出，与氮离子结合形成FeN，进而氮化铁逐渐吸附在工件表面，产生氮化效果。离子氮化主要使用氮气，但若加入碳氢化合物气体，则可进行离子软氮化处理，通常统称为离子氮化处理。工件表面的氮气浓度可通过调节炉内充填的混合气体（N2+H2）的分压比来改变。在纯离子氮化过程中，工件表面形成单相r′（Fe4N）组织，含氮量在5.7～6.1%wt，厚度在10μm以内，该化合物层具有高强度和韧性，不易脱落。氮化铁不断吸附并扩散至工件内部，从表面到内部的组织依次为FeN → Fe2N → Fe3N → Fe4N。单相ε（Fe3N）含氮量在5.7～11.0%wt钢材真空热处理，单相ξ（Fe2N）含氮量在11.0～11.35%wt。离子氮化首先生成r相，随后加入碳氢化合物气体使其转变为ε相的化合物层和扩散层钢材真空热处理，扩散层的增加有助于提高疲劳强度。而蚀性以ε相最佳。
离子氮化工艺的起始温度设定在350℃，处理温度的选取需综合考虑材料特性及其机械性能，因此处理时长可以从数分钟延长至较长时间。与以往通过热分解化学反应进行氮化处理的方法不同，本方法采用高离子能量，即便是过去认为难以处理的材料，如不锈钢、钛、钴等，也能实现简便且效果显著的表面硬化处理。
