3.9 氧氮化

蒸汽氧化处理与渗氮或氮碳共渗相结合，称为氧氮化，或氧氮共渗。在20世纪60年代发现硫氮共渗时硫化层对渗氮层脆性的改善作用之后，于20世纪70年代开始试验氧化与渗氮或氮碳共渗相结合，得出了相似的结果，从而诞生了一种简便、无毒、无污染，并兼顾性能提高和商品化色泽两方面要求的新型表面强化工艺，因而得到广泛的应用。

1.氧氮化的反应式

（1）以甲酰胺水溶液为渗剂的反应式 将温度升到540～570℃的氧氮化温度，其反应式如下：水蒸气与炽热的工件接触而分解：

甲酰胺直接分解

这样，氮原子形成了渗氮层，而氧原子与工件形成Fe₃O₄。（2）以氨水为渗剂的反应式 市售的氨水含量为25%～30%（质量分数），滴入炉

中时只有少量氨分子与水反应，生成NH4+和OH-，属弱碱性。氨水热分解反应式为

NH₄OH→NH₃+H₂O

NH₃在高温下反应为2NH₃→2[N]+3H₂，H₂O汽化后，在500℃以上分解反应式为H₂O

→[O]+H₂，产生的[N]向工件内部扩散，形成渗氮层，[O]与工件形成了Fe₃O₄。

2.氧氮化工艺

高速工具钢刀具的氧氮化是在热处理和刃磨之后进行的，渗剂可以是稀释的氨水，也可以是质量分数为8%的尿素水溶液、或氨水和尿素水溶液的混合液，或质量分数为30%～50%的甲酰胺水溶液、或通入氨气和水蒸气、或氨气+蒸馏水等。不论何种方式，目的是产生[O]、[N]，使其渗入工件表面。以下简介盛行的滴氨水+蒸馏水的共渗工艺。

（1）设备 有专用设备可买，也可以用RJJ-35-9T井式气体渗碳进行改装，把滴液阀的一些铜件都换成不锈钢件，渗剂供应管道都以循环水强制冷却。

（2）渗剂

1）氨水：买市售的质量分数为25%～30%氨水。含量过低渗速太慢，α相渗层氮含量也低，刀具的耐磨性也差。若含量过高又易导致渗层出现脆性层，尤其对薄细刃口刀具，以下限含量为好。

氧氮化过程各期氨水的滴量是不同的，排气期为160～180滴/min，共渗期为140～150滴/min，降温扩散期70～80滴/min，滴量是经过实践检验过的。排气期滴量稍大，主要是升温期迅速排掉炉内的空气，使炉内渗剂气氛很快达到均匀饱和，炉压稳定，以便能按时共渗。共渗期滴量适中，防止氮势过高或过低而造成渗层缺陷。降温扩散期减少滴量主要是为了降低表面氮含量，并使渗层适当加深且过渡平缓。

试验证明，当温度为500～600℃，在适当水蒸气含量范围内就可生成Fe₃O₄，且水蒸气含量范围甚宽。这样水蒸气含量带来的影响也小。有些单位使用的氨水水含量（质量分数）为70%～75%，处于较合适的含量范围，并几乎是H₂含量的3倍，水蒸气又是以氨水形式不断供入炉内，所以反应会一直向生成Fe₃O₄方向进行。

2）氨气+蒸馏水：即氨和水分别同时或单独供给。各渗期较合适的渗剂供给量为：排气期氨为110～130L/h，蒸馏水为90～110滴/min；共渗期氨为100～110L/h，蒸馏水为90～100滴/min；降温扩散期氨为60～70L/h，蒸馏水为50～60滴/min。

（3）氧氮化前对刀具表面质量的要求：共渗前工件表面进行严格的清洗，不得残留污物及氧化皮之类。此外，刀具的热处理质量也相当重要，如金相组织不合格、硬度偏低等，虽经氧氮化处理，但强化效果不一定好。

（4）工艺参数

1）温度：高速工具钢刀具的氧氮化温度定格在高速工具钢的回火温度540～560℃。装炉温度一般也是此温度。但细长易变形的刀具，如超长直柄麻花钻等，应在350℃左右入炉，出炉温度也应该低些（500～480℃）。

共渗温度之所以定位于540～560℃是基于以下几点：①在高速工具钢的回火温度下处理，不会降低基体硬度；②在540～560℃处理，表层能形成致密的Fe₃ O₄；③540～560℃是钢铁吸收氮最佳温度下限，属于浅层氮化，要在渗层上获得极度弥散的合金氮化物，氮化温度也以偏低为好。

2）时间：排气期以30～40min为宜。若排气期过短，炉内空气排不干净，炉内压力不稳定，反映到U形压差计上，水柱波动频繁。但排气期也不能过长，以免被渗刀具在高氮势下过早开始共渗。共渗时间为80～100min。共渗时间过长，不但渗层深度增加不明显，反而会造成表面疏松。一般在上述共渗温度和两种渗剂的供给下，渗速大约为0.018～0.025mm/h。扩散期是从540～560℃断电，降温到500℃出炉，迅速冷至室温或100～150℃浸油冷。

3）炉膛压力：共渗时炉膛压力一般维持在10～30mm水柱。

经氧氮化处理的刀具，表面硬度可达1100～1150HV，渗层深度可达0.03～0.04mm，钻头、铣刀的使用寿命可提高0.5～1倍，拉刀、滚刀、立铣刀等刀具使用寿命可提高0.5～2倍。耐蚀性也明显提高，未经氧氮化处理的刀具如钻头经2h腐蚀即生锈，而经氧氮化者经72h腐蚀后还未出现明显的锈蚀。

氧氮化在部分热作模具上的应用也不错。经常规淬火回火处理的3Cr2W8V钢制铝合金压铸模使用寿命较低，一般为0.6万～1万件。模具的失效形式为粘蚀磨损、氧化、表面塌陷和热疲劳龟裂等。而经560℃×3h氧氮化后，模具表面硬度达到1060HV，模具的寿命提高到8万件以上，且脱模容易，压铸件表面光洁，质量高。