3.气体渗氮
气体渗氮是把模具零件置于含氮的气体介质中，加热到520～560℃进行渗氮处理的化学热处理工艺。在处理时，部分氨分解成活性氮原子和氢，其分解反应为
2NH3＝2[N]+3H2（吸热反应）
活性氮原子[N]只有一小部分被钢吸收，大部分都互相结合成N2，与H2一起排出炉外。NH3的分解率定义为
向渗氮炉中供给的NH3气流量越大，则NH3的分解率越小；反之则分解率越大。通过调节NH3的流量便可以控制NH3的分解率，这在渗氮过程中是非常重要的。
（1）渗氮前的准备
1）在模具的整个制造过程中，渗氮往往是最后一道工序。为使工件心部具有必要的性能，消除加工应力，减少渗氮过程中的变形，以及为获得最好的渗氮层性能做组织准备，模具在渗氮前一般都需要进行预备热处理，即进行调质处理，以获得回火索氏体组织。热作模具钢仅是提高表面耐磨性，淬火后的回火温度一般高于渗氮温度。
2）对于形状复杂的精密模具，在机械加工后应进行1～2次去应力处理以减少渗氮过程中的变形。处理温度应低于回火温度，以免降低模具硬度。热作模具钢工件淬火后即进行高温回火再渗氮，同样渗氮温度不得高于高温回火温度。
3）脱碳层将导致模具渗氮后脆性增大及硬度不足等疵病，模具在预备热处理前应将工件脱碳层通过机械加工切除，为此模具应有足够的加工余量，以保证机械加工时将脱碳层全部去除。
4）为使渗氮过程顺利进行，模具在装炉前要用汽油或酒精等脱脂。经过清洗后模具表面不能有锈蚀及洗涤不净的脏物。如果模具某些部位不需要渗氮，则可用涂料防渗。
5）为了检查渗氮质量，可在渗氮罐的适当部位，放置与模具同材质，并经过预备热处理的试样，以便于检查渗氮层深度、表面硬度和金相组织。
（2）渗氮介质及设备
1）渗氮用氨气是工业合成液氨（瓶装）。用氨气分解率测定计量废气中氮和氢的体积与废气总体积之比，用以表示氨气分解的程度。
能提供氮原子的气体介质较多，但目前应用最多的且便宜的是氨气。除此之外也可用氨气加稀释气体，稀释气体可以用氢氮混合气体（氨气的预先分解体，或者渗氮的废气），也可以用渗碳气氛如丙烷或者丙烷与空气制备的吸热式气氛（即RX气体）。
氨气有强烈的刺激作用和恶臭，只要在空气中的浓度达到万分之一，即可使人咳嗽、头痛、流眼泪，对人体有一定的危害。但氨气比空气轻，逸出后都上升到大气中去了，在通风条件好的工作场所不会造成不良后果。如果氨气中毒，喝一些柠檬汁或醋溶液，能起到缓解作用。
2）渗氮可在密封的箱式炉或井式炉中进行。设备由两部分组成，一部分是炉体及附带的测量仪表，另一部分为输送渗氮气体和排废气的管路系统。氨气由液氨瓶经过流量计、干燥箱进入渗氮罐。
气体渗氮设备的特点和基本要求如下：
① 渗氮罐与管路系统要有良好的密封性。(https://www.daowen.com)
② 加热炉工作温度不高，一般不超过700℃。但对炉体的炉温均匀度要求很高，一般规定在有效加热区内温差应≤10℃。
③ 炉温的测量和控制应精确。
④ 管路系统应合理和畅通。渗氮介质应均匀地与零件表面接触。在可能的条件下，应装有风扇或气体循环装置。
我国电炉制造已有标准的气体渗氮炉和氮碳共渗炉供应，也可接受特殊订货，可满足模具渗氮处理的要求。
（3）渗氮工艺参数
1）渗氮温度：渗氮温度一般为500～570℃，渗氮时间根据模具渗氮层的深度要求而定，渗氮温度为510℃、渗氮层深度≤0.4mm时，38CrMoAl钢的渗氮速度为0.01～0.015mm/h。
温度对渗氮层表面硬度及层深的影响显著。温度越低，渗氮层表面硬度越高，渗氮层越浅，变形量越小；反之温度越高，渗氮层表面硬度越低，层深越深，变形量越大。同时渗氮后的硬度不仅取决于温度，还与氨气的分解率有关。
2）渗氮时间。渗氮时间取决于所要求的渗氮深度及渗氮温度。由于渗氮是在较低的温度下进行的，因此渗氮速度很低。与渗碳相比，渗氮层深度较浅（一般在0.5mm左右），更深的渗氮层则需要更长的渗氮时间。
（4）生产中常采用的渗氮方法
1）一段渗氮法。一段渗氮法又称为等温渗氮法。在渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。渗氮温度一般为450～530℃。适用于要求高硬度、低变形的浅层渗氮，渗氮层氮含量分布比较陡峻。
2）二段渗氮法。第一阶段采用较低的渗氮温度和较低的氨气分解率，使工件表层先形成弥散度高的高硬度合金氮化物层；第二阶段再稍微提高渗氮温度和氨气分解率，使氮的扩散速度加快，以便缩短渗氮时间。二段渗氮法处理的工件变形稍大，硬度梯度较平缓，但渗速较快，生产周期较短。
3）三段渗氮法。在二段渗氮法的基础上再增加一段低温阶段，可以适当提高氨气分解率，以降低模具表面的高氮脆性；或者采取与第一阶段相同的氨气分解率，以补充模具表面的氮含量消耗。
为了降低渗氮层的脆性，可在渗氮结束前2～3h进行退氮处理，即将氨气分解率提高至90%以上。
几种模具钢的气体渗氮工艺规范见表9-3。
表9-3 几种模具钢的气体渗氮工艺规范
注：气体渗氮工艺可参阅热处理工艺标准GB/T 18177—2008《钢件的气体渗氮》、GB/T 22560—2008《钢铁件的气体氮碳共渗》。