金屬滲氮技術的起源、發展與進步

郝賽　杜凱

摘 要：滲氮技術是在低于鋼鐵材料臨界點Ac1基體不發生相變的前提下，將活性氮原子滲入制件表層的化學熱處理工藝。文章論述了滲氮技術的發展和演變史，對其應用加以介紹。

關鍵詞：滲氮技術；起源；發展

1 滲氮技術起源

滲氮技術對于近代金屬表面熱處理工藝來說，已經有了百余年的歷史，這種現象已經早已出現在古代的生產生活中。在古人制造劍時，工匠們其實采用了添加毛發和指甲的滲碳技術，大家知道在指甲和毛發中，含有一定量的氮，工件在處理后，會產生一定的滲碳增氮效果，碳氮共滲的開始很可能就是從此。在古文獻的分析中，僅采用含氮物質的處理方法古人也曾實施。《武備志》中有：“刀方：羊角、鐵石、砂。”其中砂的主要成分就是氯化胺，而氯化胺加熱就會分解出活性氮。除此之外，古文獻中還有以硝作為主要滲劑的表面處理方法。《物理小識》“器用類·淬刀法”中還提及“以醬同硝涂鏨口，煅赤淬火”其中醬可能是作為黏結劑，而硝酸鉀為主要滲劑。《篆刻度》也有記述：“嘗見煉新刀者，用豬牙、頭發及硝，各燒灰等分，釅醋調畫刀口，如鋸齒狀，號為馬牙鋼。”其中的供氮原料硝是硝酸鉀。硝酸鉀加熱分解出的亞硝酸鉀，會進一步在加熱的過程中析出氮原子，故可將硝酸鉀作為滲氮劑。以硝酸鉀為滲氮劑的滲氮方法，在現在仍被應用來代替氰化鹽進行液體滲氮。由于氯化胺和硝酸鉀的有效作用溫度均小于700℃，古人處理溫度一般不高，因此，可以認為上述處理的主要效果是滲氮。[1]由此可見，滲氮技術的產生來源于古代人民的生產嘗試，可以說這是一種對于經驗的升華。下面筆者將具體介紹一下現代的滲氮技術。

2 滲氮技術原理

滲氮是在一定介質中一定溫度下使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝，是指在不高于A1溫度下氮以鐵的化合物形式和間隙固溶形式存在于被處理件表層，以提高表層硬度，達到改善材料耐磨性為主要目的的一種表面處理技術。其實，傳統的滲氮技術是把工件放入密封容器中，通有流動的氨氣，并加熱，保溫較長時間后，氨氣熱分解產生活性氮原子，不斷吸附到工件表面，并擴散滲入工件表層內，從而改變表層的化學成分和組織，獲得優良的表面性能。倘若在滲氮過程中同時滲入碳來促進氮的擴散，把這種滲氮過程叫做氮碳共滲。

3 滲氮技術發展

20世紀初，鋼鐵滲氮進入研究階段，獲得工業應用是在20年代以后。在開始階段，氣體滲氮僅限于含鉻鋼和鋁鋼，后來才逐漸擴大到其他鋼種。從70年代開始，滲氮從理論到工藝都迅速發展并且日益完善，適用范圍也不斷擴大，成為重要的化學熱處理工藝之一。

隨著金屬滲氮技術的發展，出現了一些常用高效的滲碳方法。下面文章將逐一進行介紹。

3.1 多段滲氮法

多段滲氮法包括一、二、三段滲氮法。其實它們是三個階段。一段滲氮法又稱等溫滲氮。它是是最初的滲氮工藝，也就是就是在同一滲氮溫度下、長時間保溫的滲氮方法。而二段滲氮方法，是為縮短滲氮的時間，且保持較高的硬度而發展。二段滲氮工藝，第一階段一般先在500℃左右滲氮一段時間，這樣可使工件表面形成高度彌散的氮化物顆粒，從而保證硬度。而三段滲氮是在二段氮化的基礎上發展起來的，它可將氮化的時間進一步縮短。[2]

3.2 氣體滲氮技術

氣體滲氮以提高技術的耐磨為主要目的，為了能夠獲得高的表面硬度。氣體滲氮過程，可以簡單分成分解，吸收和擴散三個階段。通常用氮化爐氮化，氮化爐氮化就是往不銹鋼真空密封罐中通入氨氣，加熱到520℃，保持適當的時間，使滲氮工件表面獲得含氮強化層，得到高硬度，高耐磨性，高疲勞極限和良好的耐磨性。

3.3 鹽浴滲氮技術

鹽浴滲氮工藝作為一種旨在改善材料表層硬度和耐磨性的表面改性技術，其發展經歷了約一個世紀，從最初以劇毒氰化物為主元的鹽浴成分逐步發展為以氰酸鹽為主元的無污染低溫鹽浴滲氮處理系列技術。[3]

3.4 離子滲氮技術

離子滲氮是將工件放在輝光放電裝置的真空容器中，工件為陰極，容器壁或另設金屬板為陽極，充有稀薄的含氮氣體，在直流高壓的電場的作用下，氣體原子電離成離子，使之以較高的速度撞擊工件，陰極表面上氮離子失去能量被工件吸收，并向內部擴散形成滲氮層的過程。

4 滲氮技術的進步

隨著工業的現代化高速發展對高生產率的需求以及人們對生產經濟性和環境友好性的追求，滲氮技術隨之有了新的發展和提升。新技術的提升在于工藝的優化、方法的改良或是制備途徑的創新。

4.1 增壓氣體滲氮

增壓脈沖工藝不僅可降低氨分解率、提高滲速，能節約氨氣25%左右，而且有較好的滲層質量和較高的滲氮速度，此工藝能在大面積裝爐量的情況下，得到良好的工藝效果。[4]

4.2 真空脈沖氮碳共滲

真空脈沖氮碳共滲，采用脈沖法進行共滲，氣源為氨氣和無水乙醇。從實驗來看，相比真空滲氮，真空氮碳共滲得到的工件有更高的抗咬合性和耐磨性，而且周期短，脆性小。真空脈沖氮碳共滲處理的工件，滲層均勻、致密。它不但襲承真空滲氮的優點，而且以其脆性小、滲速快、抗咬合性和耐磨性好等優點，使經其處理過的模具壽命大幅提高，企業經濟也有增益。

4.3 真空脈沖滲氮

真空脈沖滲氮技術是指在近似真空環境下（一般為-0.1MPa），向滲氮爐中通以氨氣而進行滲氮的技術。如果在真空滲氮中我們改變其工藝參數等條件，可以對滲氮層的成分以及結構進行控制。對于其他滲氮技術不好滿足要求的狹縫及微孔滲氮來說，真空脈沖滲氮技術為其帶來了福音。脈沖滲氮，從字面上就能理解，我們采用脈沖式供氮，這樣工件上的一些不易滲氮的結構，如盲孔以及壓緊的平面，都可以得到良好均勻的滲氮結果。故此，爐內可以裝較多工件而不必擔心滲氮不均勻的問題。真空脈沖滲氮技術，生產效率高，氨氣消耗量少，且有害氣體產生少。

4.4 活性屏離子滲氮技術

活性屏離子滲氮技術是指在一個放在真空容器的鐵網狀的圓筒上接上高壓直流電源，工件則在網罩的中間，工件或是呈電懸浮狀態，或是與100V左右的直流負偏壓相接。接通電源后，在低壓反應室里的氣體被電離。被激活的離子會在直流電場作用下轟擊圓筒的表面，離子撞擊產生的動能在圓筒表面轉變成熱能，圓筒從而被加熱。待微粒吸附到工件表面，高含氮量的微粒便向工件內部擴散，達到滲氮的目的。[5]

5 滲氮技術的未來展望

滲碳技術能夠提高金屬材料的耐磨性、抗疲勞性、耐蝕性及使用壽命。能使表面改性顯著，且處理前后尺寸變化小，保持制件的精度。金屬熱處理的初衷就是加強材料的力學以及工性能。而普通的熱處理已經逐漸不能滿足對人們生產的需求。我們愈發需求的是材料的表面高強度或是表面優良性能，既在不影響材料使用性能的的前提下，盡量對材料的局部進行改變而非全盤改變。表面工程技術很好地解決了這個問題，而表面滲氮技術作為表面工程技術的一個重要分支，在金屬表面處理中發揮著愈來愈重要的作用。在21世紀里，隨著滲氮工藝的不斷完善，低成本、高精度、高質量，且有利于環保的滲氮新技術將是滲氮技術發展的重要方向。

參考文獻

[1]唐電，邱玉朗，陳再良.中國古代的鋼鐵滲碳和滲氮技術[J].金屬熱處理，2002，27（8）：50-53.

[2]胡明娟，潘健生.鋼鐵化學熱處理原理[M].上海：上海交通大學出版社，1996.

[3]韋習成.鹽浴滲氮技術的現狀和發展思考[J].熱處理，2005，20（2）：16-19.

[4]翟寶隆.增壓氣體滲氮探討[J].金屬熱處理，1998，8：27-28.

[5]趙程.活性屏離子滲氮技術的研究[J].金屬熱處理，2004，29（3）：1-4.