渗氮层由表层的化合物层（白亮层）和下方的扩散层组成。化合物层提供耐磨、耐蚀和抗咬合性能，但过厚或疏松时易剥落；扩散层提供硬度梯度和抗疲劳性能。ε 相耐磨耐蚀但较脆，γ′ 相韧性较好。控制手段是用氮势决定相组成、用时间和温度决定厚度，并通过两段式工艺减少多孔层。
- 化合物层：耐磨、耐蚀、抗咬合；过厚或多孔易剥落
- 扩散层：提供硬度梯度和疲劳强度
- ε 相耐磨耐蚀但偏脆，γ′ 相较韧
- 多孔层多由过高氮势或过长时间引起
- 控制：Kn 定相、温度/时间定厚度
渗氮层的结构
从表面向内：
- 化合物层（白亮层）：金相腐蚀后呈白色，主要为 ε-Fe₂₋₃N 和/或 γ′-Fe₄N，一般为几微米到二十几微米；
- 扩散层：氮固溶于铁素体并析出细小的合金氮化物，硬度从表面向内逐渐降低；
- 基体。
两类层的性能
| 层 | 主要作用 | 风险 |
|---|---|---|
| 化合物层 | 耐磨、抗咬合、耐蚀 | 过厚、多孔时脆性大、易剥落 |
| 扩散层 | 硬度梯度、抗疲劳、抗接触疲劳 | 层深不足时承载能力低 |
ε 与 γ′ 的选择
| 相 | 特点 | 适合 |
|---|---|---|
| ε-Fe₂₋₃N | 氮含量高、硬度高、耐磨耐蚀，但偏脆 | 耐磨件、氮碳共渗件、需要耐蚀的场合 |
| γ′-Fe₄N | 结构致密、韧性较好 | 承受一定冲击或交变载荷的零件 |
| 无化合物层 | 只有扩散层，避免脆性层 | 高疲劳要求的齿轮、需后续精加工的零件 |
多孔层是怎么来的
在化合物层外侧，常出现含微孔的疏松层。主要原因是 ε 相中的氮在长时间、高氮势下重新结合成 N₂ 分子析出，留下孔洞。
减少多孔层的方法：
- 避免长时间维持过高 Kn；
- 采用两段式工艺，后段降低 Kn；
- 控制总时间与温度。
控制方法
- 相组成由 Kn 决定：参考 Lehrer 图选择相区；
- 厚度由时间和温度决定：温度高、时间长，化合物层和扩散层都会增厚；
- 均匀性由气氛循环和装炉决定：确保各位置 Kn 一致；
- 表面准备：清洗、去除钝化膜，必要时预氧化，以保证渗氮均匀开始。
检验方法
- 金相：测化合物层厚度、观察多孔层比例和相（可用特定腐蚀剂区分）；
- 显微硬度梯度：测扩散层有效深度；
- X 射线衍射：精确测定相组成。
常见问题
白亮层可以磨掉吗？
可以通过磨削或研磨去除，但会增加成本，且可能影响尺寸。更好的方法是通过 Kn 控制直接得到需要的厚度或无化合物层。
渗氮后为什么表面发黑或有色差？
可能与预氧化、炉内残留氧、冷却气氛或表面污染有关，通常不影响渗层性能，但应检查气氛和清洗工序。
化合物层厚度要求多少合适？
取决于零件服役条件和图纸规范，常见要求在几微米到 20 微米左右，或明确要求“无化合物层”。