摘要

以Fe-N 相图、氮化物晶体结构及相变平衡态为依据，研究分析了真空渗氮过程中形成的各种间隙化合物、γ相的转变组织以及α-Fe 相中的析出组织的结构特点，并分析了各种相的生长机理及影响因素。

前言

钢铁零件在一定温度的可释放活性氮原子的介质中保温一定时间，在真空环境下，使其表面渗入氮原子的过程叫作钢的真空渗氮或氮化。自1923 年，被应用在钢铁上以来，真空渗氮工艺是目前对零件进行表面强化处理而广泛采用的技术之一。相对于常用的渗碳工艺，该工艺热处理温度低、畸变小，可明显提高零部件的表面硬度、耐磨性、那腐蚀性、抗疲劳性和抗咬合能力，有效延长了零部件的使用寿命。由于这些优点，真空渗氮处理广泛应用在汽车、船舶、航空等机械部件的生产中。

随着工业技术的发展，对工件表面强化的要求越来越高，真空渗氮工艺的种类也越来越多。但由于钢中含有不同程度的铝元素，形成的非金属夹杂具有过热敏感性，使渗氮层表面脆性增大，易发生剥落或开裂，同时，为了控制渗氮层的厚度以及渗氮层的致密性，对表面氮化层金相组织生长机理进行研究，以实现对不同工艺参数的调控，并弥补目前行业内对异常氮化组织生长机理缺少大量数据的现状，具有十分重要的意义。

氮化相变机理

通常以气体、熔盐或颗粒为氮化剂，工件表面渗氮或碳氮共渗一般采用480～590 ℃，硬度达到68～72 HRC。随着技术的发展，开发出低温渗氮工艺，同时又为增加渗氮层厚度，提高渗氮效率，研究出表面纳米后的低温渗氮、循环渗氮、活性屏离子低温渗氮等。592 ℃时发生共析相变，γ-Fe（N）→α-Fe（N）+γ′-Fe（N）有奥氏体产生；650 ℃时发生共析相变，ε→α-Fe（N）+γ′ -Fe4N 在渗氮过程中，不同温度、不同氮浓度等参数下，会形成不同的相组织。

简单总结了真空渗氮过程及相变序列，渗氮层形成时，含氮铁素体（α-Fe（N））未达到饱和，随渗氮时间延长而增厚；随活性氮原子[N]原子的渗入和扩散，N 原子达到饱和发生相变，形成含氮奥氏体（γ-Fe（N）），以及奥氏体的相变，α-Fe（N）→γ-Fe（N）→γ′ -Fe4N；当γ′ 相达到过饱和状态时，形成含N 量更高的ε相（Fe2-3N）。最后渗层主要由γ′相和ε 相组成的化合物以及含氮铁素体组成的扩散层组成，在奥氏体真空渗氮过程中的渗层中还会存在由γ-Fe（N）组成的介于化合物层和扩散层之间的过渡层。碳氮共渗和渗氮的机理基本是相似的，但由于碳的加入，使表面形成的相更为复杂，目前对于Fe-N-C 三元相图，还没有明确的铁素体碳氮共渗和奥氏体碳氮共渗的温度划分点。

氮化组织特征分析

真空渗氮过程中不同的相是由不同的晶体结构为基体组成，不同的晶体取向会体现出不同的力学性能，因此经不同工艺参数真空渗氮的零部件会体现出各种优缺性能。通过调控零部件表层的相结构，是实现提高零部件表面性能的重要手段，同时，通过研究各种相的组织形态特征，也是实现对组织的判定和创新工艺的重要途径。

结论

通过大量数据研究分析了真空渗氮过程中的各种相的金相组织特征以及生长机理，这些资料可以作为真空渗氮工艺形成相组织的判定依据，并对其生长机理进行深入研究。

a.真空渗氮金相组织，主要形成有3 类，间隙化合物（ε相、γ′相、ζ相等）、γ相的转变组织、α-Fe相中的析出组织（针状、颗粒状、脉状或网状等）。以γ′相组织为主体，分析氮化物组织的多样性和复杂性；ζ相氮浓度变化较小，不易在检验中确定。

b.γ相的转变组织多为氮化物中形成的异常组织，为含氮屈氏体、含氮马氏体加残余奥氏体、也有类似于贝氏体形状，多由氮化工艺的氮势不足所致，造成了表面化合物无法稳定、均匀析出；这种异常组织的发现也会为表面氮化零部件的失效提供检验依据。

c.α-Fe 相中的析出组织为扩散层中的氮化物，产生于冷却过程，形状较为复杂，某些形状的析出物，如脉状、板条状沿晶面的有序排布，体现了该组织的择优取向，可为织构调控方案设计提供参数。