超出常规认知：不锈钢渗氮是氮往里走，Al渗氮是Al向外走！

1) 对于不同材料，渗氮时物质传输机制是不同的。有时超出我们常规认知！

2) 不锈钢渗氮时，是N往里走。Al渗氮时，是Al向外来。在读到此文献前，我们还真不知道！

3) 不锈钢中N的扩散是缺陷扩散，Al在AlN中的扩散是间隙扩散。在我们进行工艺改进时，也要有针对性。

 引言 

渗氮是一种非常重要的表面强化工艺，了解渗氮过程中的N元素扩散过程，可以有效加强对不同材料渗氮机理的理解。不同材料的成分结构不同，渗氮过程也有很大差异。大家都比较熟悉的，在不锈钢中，N会首先在表面固溶引起Fe晶格膨胀，然后形成梯度扩散层，随着表面N浓度进一步增加，析出Fe_2,3N，Fe₄N等乃至形成白亮层。那如果在Al、Cr或者Ti渗氮呢？又具有哪些特殊性呢？下面以不锈钢和Al为例，一起探讨不同材料中渗氮差异。

 解析 

德国科学家W. Möller等人通过对不锈钢和Al进行¹⁵N和¹⁴N分阶段渗氮，结合金元素标定，对不同阶段渗氮过程进行了分析。结果表明，N在不锈钢中主要通过缺陷随浓度梯度扩散，在Al中需要先通过注入的方式穿透表面氧化层并形成AlN，之后内层的Al通过AlN晶格间隙向外层扩散并反应。相关研究以题为“Surface processes and diffusion mechanisms of ion nitriding of stainless steel and aluminium”发表在《Surface & Coatings Technology》期刊上。

通过同位素标定法对不锈钢和Al进行分阶段渗氮，分别如图1和图2。可以发现在两种基体中后注入N元素分布在表层，而先注入元素分布在内层。但两者物质、扩散传输逻辑是一样吗？为了进一步验证，在Al基体中进行了金元素进行标定（图2），发现在注入¹⁵N后，之前的金与¹⁴N均存在于内层，这说明与¹⁵N结合的Al是基体内的Al通过AlN层扩散到表面来的。Au层标注，是个很巧妙的方法，表明这种扩散机制明显不同于不锈钢。

图1. 不锈钢中渗氮结果: 先注入¹⁵N，后注入¹⁴N

图2. Al中渗氮结果: 先注入¹⁴N，后注入¹⁵N，其中下图为¹⁴N注入，上图为¹⁵N注入后。黄色区域为金元素标定区域，¹⁵N注入后，标定元素存在深度增加。

 延伸 

1) 材料不同时，渗氮机理也不尽相同。针对不同的扩散机理，要有针对地性去改进工艺。

2) Al渗氮是这样的Al传输机制，那Ti呢？Cr呢？期待有好的结果出现，那Al-Fe合金呢，会怎样呢？N或Al原子传输会发懵吗？会出现氮向内、Al向外协同机制吗？

3)倒逼着基体金属进行扩散，估计渗氮速度都不会太快。也许在材料表面预制较多的缺陷（能量）可能是一种有效方案。

4)还有一个需要注意的点，Al和空气或炉内残余氧气会自发反应氧化成致密的Al₂O₃，这对渗氮非常不利。加入点氢气，也许会收获一份惊喜。

文献链接:

https://doi.org/10.1016/S0257-8972(00)01015-X

本文为所引文献赏析和随感

（由胡天时供稿）