氮化基础：无需淬火的气体氮化和等离子氮化

不同的硬化原理

与渗碳不同，氮化不依赖相变。零件被加热到约 500–580 °C——低于钢的回火温度和相变温度——在供氮环境中（氨气，或氮等离子体）。氮扩散进入并与钢中的合金元素形成细小、坚硬的氮化物。由于之后无需淬火，变形最小，成品零件也可以处理。

两个区域

氮化表面有两个不同的区域：

• 化合物层（“白层”）——一层铁氮化物的薄表面膜，通常厚度为几微米到几十微米。它非常坚硬，抵抗擦伤和腐蚀，但可能脆；在精密或疲劳载荷零件上，它通常被限制或通过研磨去除。
• 扩散区——在其下方，固溶氮和合金氮化物析出物使硬度逐渐提高回到心部水平。总硬化层深度通常约 0.2–0.7 mm，比渗碳硬化层浅得多，因为较低的温度减缓了扩散，且循环已经运行数十小时。

表面硬度在很大程度上取决于钢种：含铝和含铬牌号可超过约 1000 HV，而普通碳钢仅获得表面保护——它们缺乏氮化物形成元素。

氮化性能良好的钢种

氮化钢特意与铝、铬、钼和钒合金化：

• 1.8550 (31CrMoV9)——经典的专用氮化钢，以预硬化状态供货。
• 4140 / 42CrMo4——广泛用于轴和齿轮的氮化，其中适中的硬化层硬度就足够。
• H13 (1.2344)——热作模具通常进行氮化（或氮碳共渗），以抵抗压铸服役中的焊合和热龟裂。
• 不锈钢和马氏体时效钢有其自己的低温变体，以避免损害耐腐蚀性或时效组织。

重要的工艺规则

1. **先预硬化。**心部在氮化前进行淬火和回火，最终回火温度必须安全地高于氮化温度——否则循环本身会使心部过回火。
2. 粗加工后去应力退火，使氮化循环不被要求同时做两项工作。
3. **气体与等离子对比。**气体氮化是经济的批量标准。等离子（离子）氮化对白层控制更好，更容易处理不锈钢牌号，并可机械地遮蔽区域，但设备成本更高。
4. **无淬火意味着无补救。**表面缺陷、脱碳或进入时软的心部出来时仍会在那里——准备质量决定结果。

氮化与渗碳对比

这两种表面处理工艺是互补的，而不是竞争对手。渗碳提供更深的硬化层（通常 0.5–2 mm 级）、更高的承载能力和大批量齿轮上更低的单位成本，但它需要淬火，随之而来的是变形和后续的精磨。氮化提供较浅的硬化层和较低的接触载荷极限，但零件可在处理前精加工，并以尺寸稳定的状态出来，具有更好的耐腐蚀性和抗擦伤行为。决定因素通常是所需的硬化层深度、变形容忍度，以及所讨论的钢种是否含有氮化所依赖的氮化物形成元素。