1.5 常用金属材料的热处理

金属材料的热处理是指将金属或合金在固态范围内，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以改变其组织，获得所需要性能的一种工艺方法。热处理可以强化金属材料，提高或改善工件的使用性能和加工工艺性，是提高加工质量、延长工件和刀具使用寿命的重要手段。

热处理工艺是由加热、保温和冷却三个阶段组成的，通常采用热处理工艺曲线来表示，如图1-17所示。

1.5.1 钢在加热时的组织转变

为了获得所需性能，热处理工艺中，多将钢加热到相变温度以上，使其组织发生变化。钢在缓慢加热和冷却过程中，相变温度根据Fe-Fe₃C相图来确定，但由于Fe-Fe₃C相图中的相变温度A₁、A₃、A_cm是在极其缓慢的加热和冷却条件下测定的，与实际热处理的相变温度有一些差异，加热时相变温度因有过热现象而偏高，冷却时因有过冷现象而偏低。随着加热和冷却速度的增加，这一偏离现象愈加严重，因此，常将实际加热时偏离的相变温度用Ac₁、Ac₃、Ac_cm表示，将实际冷却时偏离的相变温度用Ar_l、Ar₃、Ar_cm表示，如图1-18所示。

钢的室温组织基本上由铁素体和渗碳体两个相组成，只有在奥氏体状态下才能通过不同冷却方式使钢转变为不同组织，获得所需要的性能。因此，热处理时须将钢加热到一定温度，使其组织全部或部分变为奥氏体。

将共析钢加热到Ac₁以上时，珠光体将转变为碳含量为0.77%（质量分数）的奥氏体，奥氏体的形成过程是一个形核、晶核长大、残余Fe₃C分解和均匀化的过程，如图1-19所示。适当的加热温度和保温时间可使奥氏体具有一定的形核率、较慢的晶核长大速度和均匀的成分，从而获得细小均匀的奥氏体晶粒。加热温度过高或高温下保温时间过长，都会产生粗大的奥氏体晶粒。奥氏体冷却转变时，转变产物的晶粒大小主要取决于奥氏体晶粒的大小。细晶奥氏体的转变产物也细小，从而使钢的力学性能较好。因此，控制钢的加热温度和加热时间很重要。

对亚共析钢或过共析钢，当加热到Ac₁时，钢中只有珠光体转变为奥氏体，其余的铁素体或二次渗碳体仍不发生变化，随着加热温度的升高，亚共析钢中的铁素体或过共析钢中的二次渗碳体才不断向奥氏体转变，直至加热温度超过Ac₃或Ac_cm以上时，钢中的铁素体完全消失，二次渗碳体逐渐溶解于奥氏体中，全部组织均转变为细而均匀的单一奥氏体，但过共析钢奥氏体晶粒较粗大。

1.5.2 钢在冷却时的组织转变

热处理后，钢的力学性能主要取决于奥氏体经冷却转变后所获得的组织，而冷却方式和冷却速度对奥氏体的组织转变有直接关系。实际生产中常用的冷却方式有等温冷却和连续冷却两种。

1.等温冷却

奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到相变点（A₁线）以下一定的温度，这时奥氏体尚未转变，称为过冷奥氏体。然后进行保温，使过冷奥氏体在等温下发生组织转变，转变完成后再冷却到室温，等温退火、等温淬火等均属于等温冷却方式。

等温冷却方式有利于研究冷却过程中的组织转变。以共析钢为例，将奥氏体化的共析钢以不同的冷却速度急冷至A₁线以下不同温度保温，使过冷奥氏体在等温条件下发生相变。测出不同温度下过冷奥氏体发生相变的开始时间和终了时间，并分别画在温度-时间坐标上，然后将转变开始和转变终了的点分别连接起来，即得共析钢的过冷奥氏体等温转变图，如图1-20所示。图中A₁、Ms两条温度线划分出上、中、下三个区域，A₁线以上是稳定奥氏体区；Ms线以下是马氏体转变区；A₁和Ms线之间的区域是过冷奥氏体等温转变区。

图中转变开始线和转变终了线又把等温转变区划分为左、中、右三个区域：转变开始线左侧是过冷奥氏体区；转变终了线右侧是转变产物区；两条线之间是过冷奥氏体部分转变区。过冷奥氏体的等温转变图表示了一定成分的钢经奥氏体化后，等温冷却转变的时间-温度-组织关系，是制订钢热处理工艺的重要依据。

共析钢过冷奥氏体等温转变产物可分为三个类型：

（1）高温转变产物 在727～550℃之间等温转变的产物属珠光体组织，都是由铁素体和渗碳体的层片组成的机械混合物。过冷度越大，层片越细小，钢的强度和硬度也越高。依据组织中层片的尺寸，又把727～650℃之间等温转变的组织称为粗片状珠光体；在650～600℃之间等温转变的组织称为索氏体（S），在600～550℃之间等温转变的组织称为托氏体。

（2）中温转变产物 在550～230℃之间等温转变的产物属贝氏体型组织，它是由含碳量过饱和的铁素体和微小的渗碳体混合而成的一种非层片组织。在550～350℃范围内，碳原子有一定的扩散能力，在铁素体片的晶界上析出不连续短杆状的渗碳体，这种组织称为上贝氏体（B_上），在光学显微镜下呈羽毛状。因为上贝氏体强度、硬度较高（40～48HRC），而塑性较低，脆性较大，所以生产中很少采用。在350℃～Ms范围内，碳原子的扩散能力更弱，难以扩散到片状铁素体的晶界上，只能沿与晶轴呈55°～60°夹角的晶面上析出断续条状渗碳体，这种组织称为下贝氏体（B_下），呈黑色针状。下贝氏体具有高的强度和硬度（48～55HRC）及良好的塑性和韧性，综合力学性能好，生产中常采用等温转变获得下贝氏体组织。

（3）低温转变产物 在Ms线以下范围内，铁、碳原子都已失去扩散的能力，但由于过冷度很大，过冷奥氏体的晶格结构发生变化，将碳全部过饱和固溶于α-Fe晶格内，这种转变属于非扩散型转变，也称为低温转变，转变产物为马氏体（M）。马氏体的转变是在Ms～Mf范围内不断降温的过程中进行的，冷却中断，转变随即停止，继续降温，马氏体转变继续进行，直至冷却到Mf点温度，转变终止。Ms为马氏体转变开始温度，Mf为马氏体转变终了温度。马氏体转变至环境温度下仍会保留一定数量的奥氏体，称为残留奥氏体，以A′或A_残表示。

马氏体的组织形态主要取决于过冷奥氏体的碳含量，当奥氏体碳含量小于0.2%（质量分数）时，钢淬火后几乎全部形成板条马氏体，也称低碳马氏体或位错马氏体，其立体形态呈平行成束分布的板条状，板条马氏体硬度在50HRC左右，具有较高的强韧性；当奥氏体碳含量大于1.0%（质量分数）时，钢淬火后几乎全部形成针状马氏体，也称高碳马氏体或孪晶马氏体，其立体形态呈双凸透镜状。当奥氏体中碳含量介于两者之间时，则得到两种马氏体的混合组织。针状马氏体硬度随马氏体中碳含量增加而增加，马氏体硬度高达60～65HRC。

2.连续冷却

经奥氏体化的钢，使其在温度连续下降的过程中发生组织转变。例如在热处理生产中经常使用的在水、油或空气中冷却等都是连续冷却方式。

在热处理生产中，钢经奥氏体化后，多采用连续冷却的方式。图1-21所示为在共析钢等温冷却转变图上连续冷却时的转变情况。v₁相当于随炉冷却速度（退火），与等温转变图相交于700～670℃，过冷奥氏体转变为珠光体，硬度为170～230HBW。v₂相当于空气中冷却速度（正火），与等温转变图相交于650～600℃，过冷奥氏体转变为索氏体，硬度为230～320HBW。v₃相当于油中冷却速度（淬火），与等温转变图相割于转变开始线，且割于600～450℃，后又与Ms相交，过冷奥氏体转变为托氏体、马氏体、残留奥氏体的混合组织，硬度为45～55HRC。v₄相当于水中冷却速度（淬火），与等温转变图不相交而直接与Ms相交，过冷奥氏体在A₁～Ms之间来不及分解，在Ms线以下转变为马氏体和残留奥氏体。v_K为临界冷却速度，与等温转变图中转变开始线相切于鼻部，过冷奥氏体转变为马氏体和残留奥氏体。

1.5.3 钢的热处理

根据热处理的目的、加热和冷却的不同，热处理可以分为普通热处理和表面热处理。普通热处理包括退火、正火、淬火和回火。表面热处理包括表面淬火和化学热处理。

1.钢的普通热处理

（1）退火 退火是将钢件加热到高于或低于钢的相变点适当温度，保温一定时间，随后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺。

退火的目的是为了降低硬度，利于切削加工（适于切削加工的硬度为160～230HBW）；细化晶粒，改善组织，提高力学性能；消除内应力，防止变形和开裂，并为下道淬火工序做好准备；提高钢的塑性和韧性，便于冷加工的进行。

根据钢件的成分和退火目的不同，常用退火工艺可分为以下几种：

1）完全退火。将亚共析钢加热到Ac₃以上30～50℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷却到室温，即为完全退火。所谓“完全”是指退火时钢件被加热到奥氏体化温度以上获得完全的奥氏体组织，并在冷至室温时获得接近平衡状况的铁素体和片状珠光体组织。完全退火的目的是降低硬度以提高切削性能，细化晶粒和消除内应力以改善力学性能。

完全退火主要用于处理亚共析钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构，也可作为一些不重要件的最终热处理。

2）球化退火。共析或过共析钢加热至Ac₁以上20～50℃，保温一定时间，再冷至Ar₁以下20℃左右等温一定时间，然后炉冷至600℃左右出炉空冷，即为球化退火。在其加热保温过程中，网状渗碳体不完全溶解而断开，成为许多细小点状渗碳体弥散分布在奥氏体基体上。在随后缓冷过程中，以细小渗碳体质点为核心，形成颗粒状渗碳体，均匀分布在铁素体基体上，成为球状珠光体。

球化退火主要用于消除过共析钢及合金工具钢中的网状二次渗碳体及珠光体中的片状渗碳体。由于过共析钢的层片状珠光体较硬，再加上网状渗碳体的存在，不仅给切削加工带来困难，使刀具磨损增加，切削加工性变差，而且还易引起淬火变形和开裂。为了克服这一缺点，可在热加工之后安排一道球化退火工序，使珠光体中的网状二次渗碳体和片状渗碳体都球化，以降低硬度、改善切削加工性，并为淬火做组织准备。对存在严重网状二次渗碳体的过共析钢，应先进行一次正火处理，使网状渗碳体溶解，然后再进行球化退火。

3）去应力退火。去应力退火也称低温退火，它是将钢件随炉缓慢加热（100～150℃/h）至500～650℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷却（50～100℃／h）至300～200℃以下再出炉空冷的一种热处理工艺。去应力退火主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件及机加工件中的残余应力，以稳定尺寸、减少变形；或防止形状复杂和截面变化较大的工件在淬火中产生变形或开裂。因为钢件在低温退火过程中加热温度低于Ac₁，所以无组织变化。经去应力退火可消除50%～80%的残余应力。

（2）正火 正火是将钢件加热至Ac₃（亚共析钢）、Ac₁（共析钢）或Ac_cm（过共析钢）以上30～50℃，经保温后从炉中取出，在空气中冷却的热处理工艺。

正火与完全退火的作用相似，都可得到珠光体型组织，但两者的冷却速度不同，退火冷却速度慢，获得接近平衡状态的珠光体组织；而正火冷却速度稍快，过冷度较大，得到的是珠光体类组织，组织较细，即索氏体。因此，同一钢件在正火后的强度与硬度较退火后高。

正火的主要目的是细化晶粒，提高力学性能和切削加工性能，消除加工造成的组织不均匀及内应力。对于低碳钢和低合金钢，正火可提高硬度，改善切削加工性；对于过共析钢，可消除或减少网状二次渗碳体，利于球化退火的进行；可以用正火代替中碳钢、合金钢的大直径或形状复杂零件的调质处理；可以用正火来代替铸锻件的退火处理。

正火与退火的选择在条件允许的情况下应优先考虑正火方法，因为正火生产率高。对于要求不高的普通零件则以正火为最终热处理。图1-22a所示为退火和正火的加热温度范围。

（3）淬火 淬火是将钢加热到Ac₃（亚共析钢）或Ac₁（共析或过共析钢）以上30～50℃，保温一定时间使其奥氏体化，然后在冷却介质中迅速冷却的热处理工艺。淬火的主要目的是得到马氏体，提高钢的硬度和耐磨性，例如各种工具、模具、量具、滚动轴承等都需要通过淬火来提高硬度和耐磨性。

淬火得到的组织是马氏体，但马氏体硬度高，而且组织很不稳定，还存在很大的内应力，极易变形和开裂，淬火后及时回火以获得所需要的各种不同性能的组织，从而满足使用要求。

钢的淬火加热温度可利用Fe-Fe₃C相图来选择。对于亚共析钢，适宜的淬火温度为Ac₃以上30～50℃(图1-22b)，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。如果加热温度过低（小于Ac₃)，则在淬火组织中将出现未溶铁素体，造成淬火硬度不足。但也不允许温度过高，避免奥氏体晶粒粗大。

对于共析钢和过共析钢，适宜的淬火温度为Ac₁以上30～50℃，得到奥氏体和渗碳体组织，淬火后的组织为马氏体和粒状二次渗碳体，因为渗碳体的硬度大于马氏体的硬度，所以可提高钢的硬度和耐磨性。如果加热温度超过Ac_cm，不仅会得到粗片状马氏体组织，脆性极大，而且由于奥氏体碳含量过高，使淬火钢中残留奥氏体量增加，会降低钢的硬度和耐磨性。

对于合金钢的淬火加热温度也可参照其临界点的温度，用类似的方法确定。但通常大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒长大，因此淬火温度允许比碳钢稍微高一些，这样可使合金元素充分溶解和均匀化，以取得较好的淬火效果。

淬火时要获得马氏体，淬火的冷却速度必须大于临界冷却速度。但根据钢的奥氏体等温转变图可知，要获得马氏体组织，并不需要在整个冷却过程中都进行快速冷却，关键是在过冷奥氏体最不稳定的转变图鼻尖附近，即在650～400℃的温度范围内尽快冷却，而在650℃以上及400℃以下不需要快速冷却，特别是300～200℃以下发生马氏体转变时不应该快速冷却，否则由于工件截面内外温差引起的热应力及组织转变应力共同作用，会使工件产生变形和裂纹。

淬火常用的冷却介质是水、盐水、油等。水在650～400℃范围内具有很大的冷却能力（>600℃／s)，这对奥氏体稳定性较小的钢淬硬非常有利，特别是用浓度（质量分数）为10%～15%的盐水淬火，更能增加钢在650～400℃范围内的冷却能力，但因盐水和清水一样，在300～200℃的范围内因冷却速度仍很大，产生很大的组织应力而造成工件严重变形或开裂。盐水或水适用于形状简单、硬度要求高而均匀、表面要求光洁、变形要求不严格的钢件，如螺钉、销钉等。

淬火用油几乎全部为矿物油（如机油、变压器油、柴油等)，在300～200℃范围内，用油与用水淬火时的冷却速度相比较，用油冷却速度小，冷却速度小于水，这对减小淬火工件的变形和开裂很有利；在650～400℃范围内，用油淬火时冷却速度明显小于用水时的冷却速度，因此多用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢的淬火。但油在长期使用后易老化，即黏度增大，使其冷却能力下降，另外油还不易清洗。

（4）回火 回火是将淬火后的钢加热到Ac₁以下温度，保温一段时间，然后置于空气或水中冷却的热处理工艺。回火总是伴随着淬火之后进行的，通常也是零件进行热处理的最后一道工序，因此它对产品的最终性能起着决定性的影响。

回火的目的是消除淬火钢中马氏体和残留奥氏体的不稳定性及冷却过快而产生的内应力，防止变形和开裂；促使马氏体转变为其他合适的组织，从而稳定零件的组织及尺寸；调整硬度，提高钢的韧性。

根据加热温度不同，可将钢的回火分为以下三类：

1）低温回火（150～250℃)。低温回火后的组织主要为回火马氏体，其组织与马氏体组织相近，基本上保持了淬火后的高硬度（如共析钢的低温回火硬度达58～62HRC)和良好的耐磨性。低温回火的主要目的是降低淬火应力和脆性，保留淬火后的高硬度。一般用于碳钢及合金钢制作的刀具、量具，柴油机燃油系统中的精密偶件，滚动轴承，渗碳件和表面淬火工件，如齿轮、活塞销、曲轴、凸轮轴等。

2）中温回火（350～500℃)。中温回火后的组织为回火托氏体，回火托氏体的硬度比回火马氏体低，如共析钢的中温回火硬度为40～50HRC，具有较高的弹性极限和屈服强度，并有一定的韧性。中温回火适用于处理弹性构件，如各种弹簧。

3）高温回火（500～650℃)。高温回火后的组织为回火索氏体，回火索氏体具有良好的综合力学性能，硬度为25～35HRC。淬火加高温回火的热处理方法又称为调质处理，适用于处理承受复杂载荷的重要零件，如曲轴、连杆、轴类、齿轮等。

2.钢的表面热处理

在扭转和弯曲等交变载荷作用下工作的机械零件，如柴油机的曲轴、活塞销、凸轮、齿轮等，需要提高表面层的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持足够的塑性和韧性，使其能承受冲击载荷。显然，仅靠选材和普通热处理无法满足性能要求。若选用高碳钢淬火并低温回火，硬度高，表面耐磨性好，但心部韧性差；若选用中碳钢只进行调质处理，心部韧性好，但表面硬度低，耐磨性差。解决上述问题的正确途径是采用表面热处理，即表面淬火和化学热处理。

（1）钢的表面淬火 表面淬火是一种不改变钢的表面化学成分，但改变其组织的局部热处理方法。即将钢件表层快速加热至奥氏体化温度，就立即予以快速冷却，使表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部仍保持原来塑性和韧性较好的退火、正火或调质状态组织。按其加热方式不同，表面淬火可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火和激光加热表面淬火等。

1）感应加热表面淬火。当工件放入感应器（用空心铜管绕成，管内通入冷却水）内，感应器内通入的中频或高频电流（频率一般为50～300000Hz)产生交变磁场，于是工件中就产生同频率的感应电流。这种感应电流的特点是，在工件截面上分布不均匀，心部电流几乎为零，而表面电流密度极大，这种现象称为集肤效应。频率越高，电流密度越大的表面层越薄。由于钢本身具有电阻，因而集中于工件表面的电流可使表层迅速被加热，在几秒钟内即可使温度上升至800～1000℃，而心部温度仍接近室温。按照电源频率不同，可将感应加热表面淬火分为高频淬火、中频淬火和工频淬火。其中，高频淬火法应用最广，生产率高，加热温度和淬硬层厚度容易控制，淬火组织细小，淬火后硬度比普通淬火高2～3HRC；淬硬层脆性低，疲劳强度可提高20%～30%；工件表面不易氧化脱碳，且变形也小；但设备维修、调整较难，形状复杂件感应圈不易制造，且不适宜于单件生产。

高频淬火的频率为200～300kHz，淬硬层深度为0.5～2mm，适用于要求淬硬层较薄的中、小型轴类及齿轮类等零件的表面淬火；中频淬火的频率为2500～8000Hz，淬硬层深度为2～10mm，适用于直径较大的轴和大、中模数齿轮等的处理；工频淬火的频率为50Hz，淬硬层深度可达10～15mm，适用于大型工件如轧辊、火车轮等的表面淬火。

2）火焰加热表面淬火。火焰加热表面淬火是利用乙炔-氧火焰（最高温度3200℃)或煤气-氧火焰（最高温度2000℃)对工件表面进行快速加热，并随即喷水冷却的表面淬火方法。其淬硬层深度一般为2～6mm。它适用于单件小批量及大型轴类、大模数齿轮等的表面淬火。其使用设备简单、成本低、灵活性大，但温度不易控制，工件表面易过热，淬火质量不够稳定。

3）激光加热表面淬火。激光加热表面淬火利用激光束扫描工件表面，使工件表面迅速加热到钢的临界点以上，当激光束离开工件表面时，由于基体金属大量吸热，使表面获得急速冷却而硬化，无需冷却介质。其淬硬层深度为0.3～0.5mm，淬火后可获得极细的马氏体组织，硬度高且耐磨性好。其耐磨性比普通淬火加低温回火提高50%，能对复杂形状的工件拐角、沟槽、不通孔底部或深孔侧壁等进行硬化处理。

（2）钢的化学热处理 化学热处理是将工件置于特定介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层化学成分和组织，从而达到使工件表层具有某些特殊力学性能或物理化学性能的一种热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理的主要特点是：表面层不仅有化学成分的变化，而且还有组织的变化。按照渗入元素的不同，化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硫、渗金属等。

1）渗碳。渗碳是向低碳钢或低合金钢表面渗入碳原子的过程。渗碳的目的是使表层的含碳量增加，经淬火和低温回火后使表层具有高硬度和高耐磨性，而心部仍保持一定的强度和较高的塑性及韧性。柴油机的十字头销、活塞销、凸轮及齿轮等常采用渗碳工艺。

渗碳可以在气体介质、固体介质或液体介质中进行，渗后再进行淬火和低温回火。按照使用的渗剂不同，渗碳法可分为气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳等，常用的是前两种，尤其是气体渗碳。

① 气体渗碳。气体渗碳是将工件置于密闭的炉膛中加热到900～950℃时，向炉内通入气体渗碳剂（如煤油或甲醇加丙酮等），渗碳剂在高温下裂解并反应生成活性碳原子。活性碳原子向工件表层扩散，形成一定深度的渗碳层。渗碳速度一般为0.2～0.5mm／h，渗后工件表层至0.5～2.0mm范围内的碳含量可提高到0.85%～1.05%（质量分数）。

② 固体渗碳。固体渗碳是用固体渗碳剂木炭与催渗剂碳酸盐（BaCO₃或Na₂CO₃)的混合物埋住工件并封好，加热至900～950℃，经保温分解出活性碳原子被吸收、溶入钢件表面的奥氏体中。

与气体渗碳相比，该方法生产率低、劳动条件差、渗碳质量不易控制，但设备简单，操作容易，仍有不少中、小工厂使用。

③ 渗碳层组织及热处理。工件渗碳后空冷表层为珠光体加网状二次渗碳体，心部为铁素体加少量珠光体。即表层碳含量增加变成了高碳钢，心部仍为低碳钢。渗碳层厚度一般为0.5～2.0mm，太薄易疲劳剥落，太厚不耐冲击。渗碳后可采用直接淬火，即将工件以渗碳后温度预冷到略高于心部Ar₃某一温度，立即放入水或油中，适用于性能要求不高的工件。渗碳后也可采用一次淬火法，即将工件渗碳后先空冷，然后再重新加热淬火。对于心部性能要求较高的工件，淬火温度取略高于钢的Ac₃以上温度。

渗碳件淬火后，都应进行低温回火，回火温度一般为150～200℃。经淬火低温回火后，普通低碳钢（如15、20钢）表层为细小片状回火马氏体和少量渗碳体，硬度达58～64HRC，耐磨性很好；心部为铁素体和珠光体，硬度为10～15HRC；而对于某些低碳合金钢（如20CrMnTi），心部由回火低碳马氏体及铁素体组成，硬度为35～45HRC，并具有较高的强度及足够的韧性和塑性。

2）渗氮。渗氮是把氮原子渗入钢件表面的过程。渗氮后可显著提高零件表面硬度和耐磨性，并能提高其疲劳强度和耐蚀性。渗氮前需调质（保证较高的强度和韧性）及精加工，为减小零件在渗氮处理中的变形，精加工后需进行消除应力的高温回火。渗氮用钢大多为含Cr、Mo、Al、Ti、V等元素的合金钢，因为这些元素能和氮形成高硬度、耐蚀性的氮化物，这些氮化物很稳定不易聚集或分解，能使钢在500～550℃的温度下仍保持高的硬度。最常用的渗氮钢是38CrMoAlA，也可用结构钢20CrMnTi、20Cr、40Cr等。

渗氮与渗碳相比，渗氮件表面具有更高的硬度、耐磨性和疲劳强度，而且具有很好的热硬性及耐蚀性。渗氮处理温度低，又不需要淬火处理，变形小，因此广泛用于交变载荷作用下要求疲劳强度很高的零件（如高速柴油机曲轴），要求变形小和具有耐热、耐蚀性能的耐磨零件（如柴油机进排气阀、气缸套及各种高速传动的精密齿轮、精密机床的主轴等），但渗氮需要一定的设备，且生产周期长，渗氮层薄而脆，承受冲击振动能力差。按使用设备不同，渗氮可分为气体渗氮和离子渗氮。

① 气体渗氮。气体渗氮是将氨气通入井式炉中加热，使氨气分解出活性氮原子（2NH₃=3H₂+2［N］)，氮原子在500～570℃的温度下，保温20～50h，被钢件表面吸收并溶入铁素体中向内层扩散，形成富氮硬化层，渗氮层深度为0.3～0.5mm。

渗氮零件的工艺路线：锻造→退火→粗加工→调质处理→精加工→除应力→粗磨→渗氮→精磨或研磨。

② 离子渗氮。离子渗氮是将氮气或氮、氢混合气体通入真空度为133.3～1333.2Pa(常用266.6～800.0Pa)的真空容器内，以真空容器为阳极，工件为阴极，两极间加400～1100V的直流电，使含氮的稀薄气体电离，并使氮离子高速冲击工件表面，在500～600℃的渗氮温度下渗入工件并向内扩散成渗氮层。

离子渗氮处理时间短（为气体渗氮的1／5～1／2)，渗氮层深度为0.3～0.5mm，无脆性层、变形小，但生产成本高，复杂件或截面差别大的件很难同时达到同一硬度和渗层深度。离子渗氮主要用于轻载、高速条件下工作的需要耐磨耐蚀的零件及精度要求较高的细长杆类零件，如镗床主轴、精密机床丝杠、阀杆、阀门等。

3）碳氮共渗。碳氮共渗是碳、氮原子同时渗入工件表面的一种化学热处理工艺。目前应用较广的是中温气体碳氮共渗法和低温气体氮碳共渗法。

① 中温气体碳氮共渗法。中温气体碳氮共渗法以渗碳为主，使用的介质是煤油和氨气，也有使用三乙醇胺、甲酰胺和甲醇+尿素等作为渗剂进行碳氮共渗的。共渗温度为820～860℃，渗层深度一般为0.3～0.8mm。共渗时气氛中含有一定量的氮，碳的渗入速度比相同温度下渗碳的速度快，保温1～2h后渗层深度即达0.2～0.5mm，并且在相同的温度和时间条件下，气体碳氮共渗层要厚于渗碳层。所用材料为低碳钢或低碳合金钢（如20钢、20Cr、20CrMnTi等)。

与渗碳一样，中温气体碳氮共渗后需进行淬火和低温回火，共渗层得到细片状回火马氏体、适量的粒状碳氮化合物和少量的残留奥氏体。共渗层比渗碳层具有更高的耐磨性、耐蚀性和疲劳强度，比渗氮层具有更高的抗压强度，主要用来处理低碳结构钢零件，如汽车、机床上的各类齿轮及轴类零件等。

② 低温气体氮碳共渗法。低温气体氮碳共渗以渗氮为主，使用尿素或甲酰胺等作为渗剂，因其渗层硬度低于气体渗氮，又称“软氮化”。共渗温度为500～700℃，共渗时间为1～3h，渗层深度一般为0.1～0.4mm(渗层中铁氮化合物层深度仅为0.01～0.02mm)，硬度为570～680HV。工件氮碳处理后，变形小，处理前后精度没有显著变化，具有耐磨、耐疲劳、抗咬合和抗擦伤等性能，且渗层硬而且有一定韧性，不易发生疲劳剥落。工件氮碳共渗后一般无须再经热处理即可直接使用。

低温气体氮碳共渗适用于碳素钢、合金钢、铸铁、粉末冶金等材料，用于处理模具、量具及耐磨件，使用效果良好。如3Cr2W8V压铸模氮碳共渗后使用寿命可提高2～3倍，高速钢刀具氮碳共渗后使用寿命可提高20%～200%。