氮化工藝具有處理溫度低，工藝周期長的特點，經過氮化處理的零件硬化層淺,表面硬度高，主要應用于承受載荷較低的零件。由于工藝技術的特點和獲得性能不足，尤其對于不銹鋼零件的處理，表面穩定的氧化膜問題使工藝的實施增加許多麻煩等。近年來，為了進一步擴展改善氮化工藝技術，使性能得到進一步提高，熱處理工作者不斷努力探索使氮化技術逐步向前推進，不斷有新的突破，獲得可喜成果。

本文收集總結一些氮化工藝技術亮點或突破，供給同行供參考。其主要目的：提供方法，拓寬改變思路，借鑒成果，以促進氮化工藝技術的提升和發展。

1.不銹鋼的氮化

眾所周知，對于不銹鋼由于表面存在的穩定氧化膜問題，會阻止氮原子的滲入。在實施氮化前必須首先清除或活化氧化膜。傳統的做法是：磷化、噴砂、酸洗或向爐內通入(添加)氯氟及硫磺系列的活化劑,去除或破壞保護膜使其表面活化,以有利于氮的滲入。然而,活化劑不僅對零件表面均有不同程度的損傷，而且對爐襯、加熱元件和測試裝置均有一定的傷害。

為了解決不銹鋼的氮化問題，有人對于奧氏體不銹鋼氮化進行研究，在氮化前預先在真空滲碳爐中對不銹鋼進行淺層滲碳處理，通過真空滲碳處理使碳與Cr元素結合，以去除穩定的保護膜，這樣就不用擔心保護膜的阻擋作用，可以采用通常的氣體氮化爐直接實施表面硬化。結果表明，氮化效果良好，表面硬度可以達到 1000HV_0.1, 其耐磨性也與常規氮化相當。此工藝技術實際是一種復合化學熱處理，雖然解決了氮化問題，但是由于前期實施的滲碳溫度較高，熱處理變形相對增加，實際應用應該慎重考慮。

傳統磷化作為不銹鋼的氮化前處理也有所應用，但由于存在一定問題，實際應用受到限制。為了解決AISI420不銹鋼的直接氮化問題，作者對磷化處理劑進行篩選優化試驗，采用LD-2311不銹鋼專用磷化劑，選擇90～100℃，10～15min處理方案,作為氮化的前處理進行生產性應用。結果表明，此方法不僅簡單、穩定，而且使氮化速度加快，滲層無脆性，表面硬度可以達到1180HV。成功的解決了可控氮化爐不能進行不銹鋼氮化的難題。

2.先進熱處理設備及檢測

為了可靠提升氮化質量和生產效率，降低生產成本，近年來，高性能智能化的專用氮化爐相繼推出，并投入生產使用表現良好技術和經濟效果。我公司購置使用德國LPSEN（見圖1）和IVA智能化可控氮勢氮化爐（見圖2）生產零件質量穩定可靠，其性能高于常規氮化質量，成本明顯降低，表現優良的技術和經濟效果。該爐型配備了先進可靠的智能化氮化控制系統，可以有效實現對氮勢設定或可靠控制，獲得不同工藝要求的氮化質量；配備了快冷卻裝置（IVA真空氮化爐有兩種冷卻方式可供不同工藝要求選擇）實現氮化完成后的快速降溫，有效縮短工藝周期，并使表面能夠得到較常規氮化更高的硬度；配備了高壽命氫探頭（已經使用10年）保證氮勢的可靠調節或控制。此外，爐的密閉性達到高標準，在封閉式廠房運行基本嗅不到氨的氣味，作到了完全無公害的綠色生產條件。

多年使用驗證，該智能化氮化爐是應該替代常規氮化爐的最佳爐型，推廣使用將會徹底擺脫氮化質量不良，環境條件差的不利局面。

3.工藝技術改進

一種新工藝是加壓氮化，其方法是提高爐內壓力，對具有復雜形狀的合金鋼零件顯示良好效果。對于小直徑深盲孔（小于0.40mm）都能夠獲得滿意氮化效果。對于鈦合金的氮化可以將溫度減低到600℃。

為了解決氮化周期長的問題，有人提出脈沖或循環兩段快速氮化的概念，該工藝是將多個周期較短的兩段氮化加以循環，在每個循環的不同階段確定不同的控制環節，同時使界面吸收與擴散的速度充分匹配，相互促進，循環加速充分利用擴散和強滲的高速段提高氮化速度。試驗表明，采用此工藝氮化周期較常規工藝周期縮短1/3～1/2。其提高氮化的速度是明顯的。

不同催滲方法的應用使氮化工藝過程大大縮短，性能得到改善，受到廣大熱處理工作者的關注。近年來，研究較多的有：稀土、碘、活性鈦、預氧化等，關于催滲機理雖然有不同的解釋。但是，基本原理均是建立在提高氣氛的活性和改善表面狀態兩個方面。

眾所周知，氮化零件表面活性對于氮化有明顯影響，我們在生產過程發現，同樣鋼材加工方式的不同，精加工或磨加工氮化效果有所不同。說明表面活性對實際氮化有一定的影響。為了定性表面狀態的影響，有人對不同的表面狀態計算活性系數，其結果為：精拋為0.20，冷拉0.30，粗拋0.45，噴砂085，化學侵蝕0.90。且在同樣條件進行試驗。結果表明，隨著活性系數增大，重量依次增加，可以證明，氮化零件表面活性對實際氮化的作用不可忽視。

預氧化氮化是近年來提出的一種新的氮化工藝，其原理是氮化入爐不急于換氣，而是在低于氮化溫度的氧化氣氛條件下加熱使表面生成一定的氧化膜（主要為Fe₃O₄)，利用氧化膜的特殊活化作用，增加表面活性氮的吸附作用，以提高氮化速度。實際應用表明，氮化初期表面形成的Fe₃O₄層能與氨反映形成ε氮化物，同時氮可以迅速穿透該層滲入金屬基體，并在基體中形成γ氮化物。結果可以證明，預氧化形成的Fe₃O₄氧化膜 對氮化不但沒有阻擋作用，相反有一定的顯著的促進作用，與常規氮化比較，其氮增量貢獻率達到45%。

有人采用40Cr和38CrMoAi鋼的試驗表明，短時間預氧化獲得的氧化膜可以加速滲氮和氮碳共滲，而長時間（大于0.5h）對氮化有抑制作用。試驗對比提出，在580、550和620℃預氧化5～10min能使氮化加速30%～50%。

關于預氧化氮化的催滲機理，提出兩種觀點：一是預氧化表面和預氧化層內部本身的疏松多孔結構有利于氨的分解，釋放原子氮；另一方面是反應所釋放的氧被吸附進入材料造成氧氮共滲，而氧的共滲對氮化過程有一定的促進作用。值得指出，預氧化對于大多數鋼是有效的。對于表面形成其他類型的氧化物為主的高合金鋼，其效果有待于進行深入研究。

對于預氧化氮化的問題報道的結果有一定差異，認為造成結果不同的原因，不外呼是試驗或生產的條件（預氧化工藝、設備和材料等）的不同所致。但是，大多數的研究均認為預氧化促進氮化的作用是有效的。

氮化前鋼的組織硬度對氮化有一定影響，試驗數據（見表1）表明，作為預先熱處理調質，盡可能提高有利于氮化效果的提升。

表1 預先熱處理調質硬度對氮化的影響

可以看出，隨著40Cr、35CrMo鋼調質硬度的提高氮化表面硬度提高，深度變淺。可以認為，回火溫度的提高材料基體中的合金炭化物將會聚集張大，減少了炭化物的彌散度，從而降低了氮化時氮的阻力，表現滲速加快，層深增加。

4.新鋼種開發

為了改善或提高鋼的氮化性能，氮化專用鋼的研究一直不斷在進行。研究認為，鋼的化學成分是影響氮化的主要因素，鋼中碳和氮的溶解是相互排斥的，在滿足鋼性能的前提下，降低碳含量有益于氮化速度的提高。基于該思路，調整優化化學成分推出的28CrMoV新氮化鋼具有優于38CrMoAi鋼的強韌性，又具有常規Mo-Cr和Mo-Cr-V合金鋼的更優異氮化性能。同樣氮化條件下，氮化周期可以大幅度縮短。

研制低碳無鋁和低鋁的氮化鋼（見表2）與傳統38CrMoAi鋼的各項性能進行綜合比較，結果表明，在同樣氮化條件下無鋁氮化鋼有較高的滲層深度和硬度，且硬度剃度平緩，表現出良好的綜合氮化性能。

表2 無鋁和低鋁的氮化鋼成分（質量分數） （%）

關于稀土的催滲作用研究表明，汽化催滲作用遠不如添加鋼中的作用。為此，提出加稀土的鋼種開發。認為鋼中稀土的催滲機理，主要是推廣影響鋼的組織來影響氮的滲入間接和直接作用兩個方面來加速氮原子的擴散和氮化物的形成。鋼中的稀土通過細化晶粒、增加位錯、推遲回火轉變、增加氮沿晶界位錯的短路擴散，和影響組織轉變影響合金元素的存在方式，促進合金氮化物的形成。

5.結語

氮化工藝的推進和提升需要熱處理工作者不斷的努力創新，設備的改造更新也必須跟上熱處理發展的步伐。消化吸收提高工藝水平裝備的智能化是努力的方向。氮化成本的進一步降低，質量的再提高應該有潛力可挖。目前，實施氮化工藝和設備尚存在這樣或那樣的問題需要解決，需要提升，需要創新，只要我們能夠不斷努力拓展思路，相互借鑒成功經驗一定會有所進步。