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。大量图片及数据为实现对渗氮过程中形成的各种金相组织进行判定，提供了依据，并弥补了目前行业内渗氮过程中氮化物金相组织结构研究数据较少的状况。
01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，使其表面渗入氮原子的过程叫作钢的渗氮或氮化。自年，被德国人应用在钢铁上以来，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、耐腐蚀性、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，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，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。
02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～℃，硬度达到68～72HRC。随着技术的发展，国内外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，研究出表面纳米化的低温渗氮、循环渗氮、活性屏离子低温渗氮等。依据Fe-N相图（图1），℃时发生共析相变，γ-Fe（N）→α-Fe（N）+γ′-Fe（N）有奥氏体产生；℃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，各种不同相组织及化学式如表1所示。
表2简单总结了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。
图1Fe-N相图
表1Fe-N图中的相及性能
表2渗氮相变序列及平衡态相组成
03氮化组织特征分析
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，如表3所示，因此经不同工艺参数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。
表3与力学性能相关的渗氮因素
3.1γ′相金相组织特征
γ′相是以Fe4N为基的固溶体，为面心立方的间隙化合物，在℃左右，γ′相在渗氮层中为终极相或过渡相；渗氮降温过程中，γ′相即是γ相的共析相之一，也是过饱和α-Fe（N）的析出相；该相硬度高、韧性好，具有铁磁性，且该相经研究具有择优取向性，有利于提高耐磨性能，所以在氮化层金相组织检验分析中，该相是