离子渗氮层的组织特征、质量检验和常见缺陷

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离子渗氮层的组织特征

钢制工件离子渗氮层结构与气体渗氮相似。但离子渗氮易于调整工艺参数，既可获得化合物层+扩散层结构的渗层，也可获得仅有扩散层结构的渗层。其中，化合物层中的相组成又可因工艺参数的不同而各异。生产实践中，应根据工件的服役条件选择合理的渗层结构。例如：对承受疲劳磨损和交变负荷的工件，最好是在工件表面获得仅有扩散层或具有适当的γ′相为主的化合物层。

一、化合物层

化合物层是由铁和氮的金属化合物组成的薄层，通常也称之为白亮层。因渗氮工艺参数的不同，获得的化合物层的相组织也不同，主要有γ′、γ′+ε、ε、ε+γ′+Fe3C、ε+Fe3C和ε+γ′+Fe3O4等几种形式。

γ′相是面心立方晶格的金属间化合物Fe4N,具有足够的耐磨性和良好的韧性。ε相是六方晶格的金属间化合物Fe2-3N,具有良好的耐磨性、抗蚀性和一定的韧性。

一般认为，单相的化合物层不但具有高硬度，而且具有较好的韧性，其中

γ′相的韧性又胜过ε相，但若出现混合相γ′+ε的化合物层则是脆性的。化合物层不同的相组成对工件耐抹性我，抗疲劳强度和韧性的影响比较复杂，此处不加讨论，读者可参阅有关文献。

渗氮工艺参数对化合物层相组成的影响已在本教材第三章第二节中作过专题讨论。此处仅就渗氮工件材料对化合物层相组成的影响（也即合金元素对化合物层相组成的影响）作一简要介绍。

一般认为，钢中碳含量低易形成γ′相，反之则易形成ε相。当钢中含有强氧化物形成元素（如Al、Cr、V、Mo等）时，由于这些元素和氮的亲和力较强，使表层氮浓度升高，合金元素溶于固溶体及碳化物中，易于吸收氮，因此，合金钢比同样含碳量的碳钢更易获得ε相，而不易获得γ′单相。

二、扩散层

在化合物层以内，随着氮的扩散而形成扩散层，扩散层也称为过渡层。

对碳钢，进入扩散层的氮固溶于α-Fe中，扩散层基本由氮αN+γ′+Fe3C组成。（若渗氮后快冷，固溶于α-Fe中氮呈过饱和状态，对提高疲劳强度有利。若随炉冷却，则靠近化合物层处αN会析出γ′相，离化合物层较远处αN会析出

α′相，组成为Fe16N2）。对于含有Al、Ti、V、Cr等合金元素的合金钢，由于合金元素使α相中的氮溶解度大幅度提高（对一般合金钢α-Fe的溶氮量可从0.1%提高到0.5~1.0%）。因此，进入扩散层的氮除更多地固溶于α-Fe中，氮还与合金元素形成高硬度、高弥散的合金氮化物，所以，合金钢的扩散层由αN+γ′+Fe3C+合金氮化物组成。这也是合金钢与碳钢相比，扩散层硬度高得多，硬度梯度较平缓，抗疲劳强度得以提高的原因。

第二节 离子渗氮层的质量检验

离子渗氮层的质量检验可遵照GB11354-89《钢铁零件渗氮层深度测定和金相检验》及JB/T6956-93《离子渗氮》两个标准执行，此处不再重述。

第三节 离子渗氮的常见缺陷

一、 硬度偏低

生产实践中，工件渗氮后其表面硬度有时达不到工艺规定的要求，轻者可以返工，重者则造成报废。造成硬度偏低的因素是多方面的。有设备方面原因，如系统漏气造成氧化；有选材方面的原因，如材料选择不恰当；有前期热处理方面的原因，如基体硬度太低、表面脱碳等；有工艺方面的原因，如渗氮温度过高或过低，时间短或氮势不足而造成渗层太薄等等。只有根据具体情况，找准原因，问题才会得以解决。

二、 硬度和渗层不均匀

装炉方式不当，气压调节不当（如供气量过大），温度不均，小孔、窄缝未屏蔽造成局部过热等均会造成硬度和渗层不均匀。

三、 变形超差

变形是难以杜绝的，对于易变形件，采取以下措施，有利于减小变形。渗氮前应进行稳定化处理（稳定化处理的次数依据需要可以是一次或几次），直至将渗氮前的变形量控制在很小的范围内（一般不应超过渗氮后允许变形量的50%），渗氮过程中的升、降温速度应缓慢，保温阶段尽量使工件各处的温度均匀一致。对变形要求严格的工件，如果工艺许可，尽可能采用较低的氮化温度。

四、 外观质量差

渗氮件出炉后首先用肉眼检查外观质量，钢铁零件竟渗氮处理后表面通常呈银灰色（不同材质的工件，离子氮化后其表面颜色略有区别）。离子渗氮后工件表面不应有明显的电弧烧伤和剥落等缺陷，这些要求在正常情况下是完全可以达到的。不正常的渗氮表面有以下一些情况：

1、 表面电弧烧伤：主要是由于工件表面、工件上的小孔中或焊接件的空腔内及组合件的结合面上存在含油杂质，引起强烈弧光放电所致。

2、 表面剥落起皮：产生起皮的机理还不十分清楚，但在生产实践中，工件表面清理不净、脱碳或气氛中含氧量过多、氮化温度过高等有时会产生起皮。

3、 表面发蓝或呈紫蓝色：这是氧化造成的，如果氧化是在渗氮结束后停炉过程中产生的，则影响外观质量，对渗层硬度、深度无影响。如果氧化是在渗氮过程中产生的，则将不仅影响到产品外观，而且将直接影响到渗层硬度和深度。

表面发蓝的原因可能有：炉体系统漏气，气氛中含水或含氧量过多，工件各处的温度不均匀，温度过低的部位由于渗氮较弱呈蓝色；冷却时工件各部位冷速不一致，冷得慢的部位可能呈蓝色。

4、表面发黑：这对将渗氮作为最后一道工序的零件将影响外观，但一般不影响渗层硬度和深度。产生这种现象的原因可能是：炉体系统漏气，气氛中含水量及含氧量过高；温度过高；工件上的油污及氧化皮未去干净等。

五、 脉状氮化物

脉状氮化物通常又俗称脉状组织，是指扩散层中与表面平行走向呈白色波纹状的氮化物。其形成机理尚无定论，一般认为与合金元素的晶界偏聚及原子的扩散有关。因此，控制合金元素偏聚的措施均有利于减轻脉状氮化物的形成。工艺参数方面，渗氮温度越高，保温时间越长，越易促进脉状组织的形成，如工件棱角处，因渗氮温度相对较高，脉状组织比其它部位严重的多