前言
在航空航天制造中，为了提高齿轮、轴承、花键等金属零件或机械结构的表面耐磨性能，需要对它们表面进行硬化处理。最常用的化学热处理方法就是渗氮和渗碳。两者主要的区别是渗氮热处理是将氮原子扩散到被加工零件的表面，而渗碳热处理则使用的是碳。
本文由Metlab Heat Treating于2016年10月14日发布，是非常好的入门级文章。比如详细介绍了渗氮/渗碳热处理的优缺点、工艺过程、渗氮材料、典型应用等。版权归原作者，翻译有删减。
渗氮热处理
渗氮是一种表面硬化处理，将氮添加到钢部件的表面，可以是气体渗氮工艺，通过分解氨作为气源，也可以使用离子或等离子工艺，将氮离子扩散到部件表面的过程。气体氮化在相对较低的温度下不需要淬火，就可以获得非常坚硬的外壳。该工艺的优点是能够渗透进盲孔，并允许遮蔽零件(masking)，让需要进一步机加工的区域保持软态。此外，不同尺寸和形状的零件可以同炉内进行氮化。对比之下，离子氮化工艺的限制性要高一些。为了实现均匀的渗氮层深度，零件必须具有相似的尺寸和几何形状。同时，掩蔽零件是困难的，而渗透盲孔或通孔是不可能的。
上图是在 Metlab 设备中进行氮化处理后的大齿轮和齿轮齿的特写。齿轮齿随后被磨去约0.05mm 的余量，以及获得所需的表面光洁度以满足应用要求。
渗氮是在低于合金钢转化温度的温度下进行的，因此，使用适当的制造工艺，可以将变形控制得很少，甚至没有变形。一般而言，零件氮化前需要热处理到适当的强度水平，并机加到最终尺寸。然后将零件在合适的温度下暴露于活性氮中，通常在925℉至985℉的范围内。这个温度通常低于钢的最终回火温度，这样氮化就不会影响基体的机械性能。因此，渗氮工艺可以生产出具有极好耐磨性的高强度零件，并且尺寸变化很小，甚至没有变化。
在最终加工之前，要进行渗氮处理的部件通常会消除应力，因此观察到的唯一尺寸变化是约0.01mm的尺寸增加。在某些情况下，经过渗氮热处理的零件通过研磨表面，去除加工过程中产生的最外层的脆性层（η相），或者是将零件加工到严格的公差范围。
零件可以遮蔽，以避免硬化某些区域，如齿轮轮毂和孔、键槽、螺纹孔或轴承表面，使得这些区域在氮化后很容易加工。氮化的典型应用包括齿轮、曲柄和凸轮轴、凸轮从动件、气门零件、塑料注射成型螺钉和模具、压铸工具、锻造模具、挤压模具、喷油器和枪械部件。
可以进行渗氮的材料包括低碳钢，合金钢如4130，4140，4340和 Nitralloy 135M，这些都是最常见的氮化钢。特殊应用钢包括模具钢（P-20)，空气硬化工具钢（A-2和D-2)，热锻和耐冲击钢（H-13和S-7)，高速钢（M-2, M-4和M-42)和不锈钢（304，316和17-4PH)。
渗碳热处理
渗碳热处理可以产生耐磨表面，同时保持材料芯部的韧性和强度。渗碳热处理适用于机加工后的低碳钢零件以及高合金钢(4320、8620、9310、17CrNiMo6-7）轴承、齿轮和其它部件。需要增加耐磨性和疲劳强度的零件是渗碳的绝佳选择。
与渗氮工艺类似，渗碳通过将碳扩散到钢的表面来提高强度和耐磨性。这就制造出了一个坚硬的外壳，同时保持芯部较低的硬度。
大多数渗碳工艺是在坑式炉或密封气氛炉中加热零件，并在一定温度下引入渗碳气体来完成的。气体渗碳可以精确控制工艺温度和渗碳气氛（称为碳势）。渗碳是一个时间／温度过程，将渗碳气氛引入炉内，保持要求的时间，以确保获得正确的渗碳层深度。渗碳是在钢的相变以上的温度下进行的，因此需要淬火和回火来获得外壳和芯部的硬度。渗碳后，工件要么缓慢冷却以备后期硬化、淬火回火，要么直接油冷淬火，再回火。由于显微组织在淬火过程发生变化，因此会出现尺寸变化或变形。对于紧公差的零件来说，这可能是一个问题。
通常的做法是给零件留有余量，并在硬化后进行精加工或磨削。对于紧公差工件，如轴承和齿轮，带夹具淬火可用于减少热处理后精加工的余量。根据材料的不同，可能需要进行冰冷和二次回火以减少残余奥氏体。
其中最常见的渗碳应用是齿轮和小齿轮轴。渗碳工艺非常具有经济性，能够赋予坚硬的表面，改善耐磨性，并增加疲劳强度。渗碳的一个优点是能够赋予高达7.5mm的渗碳层，这对非常大的齿轮是特别有用的，如那些用于轧钢的产品。承受压应力的大型轴承套圈也是渗碳的主要应用。渗碳的轴承，类似于齿轮和小齿轮，具有韧性的芯部，又有坚硬耐磨的外表面。这使得零件能够承受沉重的冲击载荷，而不会过早损坏或破裂，这有时会是完全硬化的零件的问题。
17CrNiMo6钢制造的超大齿轮，外径2m，渗氮层深度4.7mm。在淬火时使用了矫形板控制圆度，尺寸变化小于0.76mm.
选哪个工艺？
一般来说，零件应用场景决定了选择渗氮还是渗碳。适用于轻负荷，变形可能是主要考虑因素的精密部件，氮化是适当的选择，可以非常经济地实现高达0.9mm的渗氮层深度。根据材料的不同，超过 HRC 65的表面硬度并非遥不可及。诸如导轨、轨道、挤出螺杆和精密齿轮等应用是氮化的理想选择。对于大型齿轮和轴承等负载更重的零件，渗碳可能是更好的选择。更大的渗碳层深度，粗齿重载齿轮和轴承的要求可以很容易实现。
根据应用，氮化可能是一种较便宜的热处理工艺。虽然这可以通过选择便宜的用于制造零件的金属来平衡成本。
质量
确定渗碳/渗氮深度和硬度的质量标准是相同的，即对随炉试样进行切割、镶样、抛光和蚀刻，获得测试显微硬度的横截面，测量表面和芯部硬度，以及外壳深度。
热处理时间
一次渗氮热处理的循环通常需要48小时，获得0.5mm左右的渗氮层深度。获得相同深度的渗碳热处理需要的时间则较短。这两种工艺有根本的区别。
总结
渗氮最常在预硬合金钢上进行，如4140、4340或Nitralloy 135M。最常见的应用是齿轮。该工艺的温度范围为925°F-975°F，低于钢的回火温度，零件很少或没有变形；由于氮扩散到零件中，只有约0.01mm的长大，因此热处理后不需要机加工。
另一方面，渗碳热处理是一个高温过程，并且由于必须进行再硬化，因此要求额外的加工余量。渗碳后的机加工几乎是一个必然的要求。
来源：航空制造人