技術(shù)資料
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2離子氮化法簡(jiǎn)介離子滲氮法是由德國(guó)人B.Berghaus于1932年發(fā)明的。該法在0.1-10Torr的含氮?dú)夥罩校誀t體為陽極，被處理工件為陰極，在陰陽極間加上數(shù)百伏的直流電壓，由于輝光放電現(xiàn)象便會(huì)產(chǎn)生象霓虹燈一樣的柔光覆蓋在被處理工件的表面。此時(shí)，已離子化了的氣體成份被電場(chǎng)加速，撞擊被處理工件表面使其加熱。同時(shí)依靠濺射及離子化作用等進(jìn)行氮化處理。 綜上所述，離子氮化是在真空爐體內(nèi)，通過稀薄氣體放電，形成由離子、電子和中性粒子所構(gòu)成的局部電離狀態(tài)（即等離子體）中進(jìn)行處理的。 離子滲氮開始應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，至今已經(jīng)有四十余年，離子滲氮已經(jīng)成為離子熱處理技術(shù)中*成熟、*普及、*富有生命力的工藝之一。作為一種全新的滲氮方法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)床、造船、紡織機(jī)械、石化機(jī)械、精密儀器、擠壓成型機(jī)、齒輪、驅(qū)動(dòng)軸、蝸輪、蝸桿、機(jī)床主軸、套筒、凸輪、瓦楞紙軋輥、絲杠、曲軸、閥、減速機(jī)的同步環(huán)、液壓缸、導(dǎo)電碼線筒、精密模具、量刃具等許多領(lǐng)域、其應(yīng)用范圍隨著工藝的不斷開發(fā)將日益擴(kuò)大。
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3離子氮化特點(diǎn)與氣體滲氮相比，離子氮化具有許多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：（一）由于離子氮化不是依靠化學(xué)反應(yīng)作用，而是利用離子化了的含氮?dú)怏w進(jìn)行氮化處理，所以無需防止公害的環(huán)保設(shè)備。因此，離子氮化法也被稱為二十一世紀(jì)的“綠色氮化法”。（二）離子氮化是在真空中進(jìn)行，因而可獲得無氧化的加工表面，也不會(huì)損壞被處理工件的表面光潔度。而且由于是在低溫下進(jìn)行處理（380℃起即可進(jìn)行氮化處理），被處理工件的變形量極小，尺寸穩(wěn)定性好，可以滿足精密模具及高精度的零部件要求，處理后無需再進(jìn)行加工，極適合于成品的處理。（三）氣體氮化時(shí)間長(zhǎng)表面粗糙，硬而脆不耐磨。氣體滲氮的工件，表面通常會(huì)出現(xiàn)較厚（20um以上）的化合物層，這是由ε+γ′兩相組成的不均勻混合物層，里層則為擴(kuò)散層。因此，在化合物層內(nèi)產(chǎn)生三向顯微應(yīng)力，若在此應(yīng)力方向上再略加外力，就會(huì)產(chǎn)生微小裂紋，此裂紋逐漸擴(kuò)展而使整個(gè)化合物層剝落。含鉻、鋁滲氮鋼的化合物層很脆，氣體滲氮后一般均要把它磨去后才能使用。而離子滲氮可以通過控制氣氛中氮?dú)夂蜌錃獾谋壤?，可以獲得5-30um厚的脆性較小的ε相單相層或0-8um厚的韌性γ′相單相層，也可以得到韌性更優(yōu)的無化合物層而僅有擴(kuò)散層的滲氮層，這樣可以不需要磨削直接裝機(jī)使用。（四）由于不銹鋼表面鈍化膜的阻礙，傳統(tǒng)的氣體氮化前必須做去鈍處理，因工藝十分繁雜，且不易控制，效果也難保證。離子滲氮的濺射作用可有效地除去這層鈍化膜，而無需做去鈍處理，因此離子氮化工藝為不銹鋼的表面強(qiáng)化提供了一條新的途徑。（五）經(jīng)離子滲氮的工件氮化層致密性好，硬度高，耐磨性、抗咬合性及抗蝕性等方面均優(yōu)于氣體滲氮。
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4我國(guó)鋼號(hào)表示方法及說明一、我國(guó)鋼號(hào)表示方法鋼的牌號(hào)簡(jiǎn)稱鋼號(hào)，是對(duì)每一種具體鋼產(chǎn)品所取的名稱，是人們了解鋼的一種共同語言。我國(guó)的鋼號(hào)表示方法，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法》（GB221-79）中規(guī)定，采用漢語拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法表示。即： ①鋼號(hào)中化學(xué)元素采用國(guó)際化學(xué)符號(hào)表示，例如Si,Mn,Cr……等?；旌舷⊥猎赜谩癛E”（或“Xt”）表示。 ②產(chǎn)品名稱、用途、冶煉和澆注方法等，一般采用漢語拼音的縮寫字母表示。 ③鋼中主要化學(xué)元素含量（%）采用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。二、我國(guó)鋼號(hào)的分類1．碳素結(jié)構(gòu)鋼 ①由Q+數(shù)字+質(zhì)量等級(jí)符號(hào)+脫氧方法符號(hào)組成。它的鋼號(hào)冠以“Q”，代表鋼材的屈服點(diǎn)，后面的數(shù)字表示屈服點(diǎn)數(shù)值，單位是MPa例如Q235表示屈服點(diǎn)（σs）為235 MPa的碳素結(jié)構(gòu)鋼。 ②必要時(shí)鋼號(hào)后面可標(biāo)出表示質(zhì)量等級(jí)和脫氧方法的符號(hào)。質(zhì)量等級(jí)符號(hào)分別為A、B、C、D。脫氧方法符號(hào)：F表示沸騰鋼；b表示半鎮(zhèn)靜鋼：Z表示鎮(zhèn)靜鋼；TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼，鎮(zhèn)靜鋼可不標(biāo)符號(hào)，即Z和TZ都可不標(biāo)。例如Q235-AF表示A級(jí)沸騰鋼。 ③專門用途的碳素鋼，例如橋梁鋼、船用鋼等，基本上采用碳素結(jié)構(gòu)鋼的表示方法，但在鋼號(hào)**附加表示用途的字母。 2．優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 ①鋼號(hào)開頭的兩位數(shù)字表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示，例如平均碳含量為0.45%的鋼，鋼號(hào)為“45”，它不是順序號(hào)，所以不能讀成45號(hào)鋼。 ②錳含量較高的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)將錳元素標(biāo)出，例如50Mn。 ③沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼及專門用途的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)在鋼號(hào)**特別標(biāo)出，例如平均碳含量為0.1%的半鎮(zhèn)靜鋼，其鋼號(hào)為10b。 3．碳素工具鋼 ①鋼號(hào)冠以“T”，以免與其他鋼類相混。 ②鋼號(hào)中的數(shù)字表示碳含量，以平均碳含量的千分之幾表示。例如“T8”表示平均碳含量為0.8%。 ③錳含量較高者，在鋼號(hào)**標(biāo)出“Mn”，例如“T8Mn”。 ④**優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼的磷、硫含量，比一般優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼低，在鋼號(hào)**加注字母“A”，以示區(qū)別，例如“T8MnA”。 4．易切削鋼 ①鋼號(hào)冠以“Y”，以區(qū)別于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 ②字母“Y”后的數(shù)字表示碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示，例如平均碳含量為0.3%的易切削鋼，其鋼號(hào)為“Y30”。 ③錳含量較高者，亦在鋼號(hào)后標(biāo)出“Mn”，例如“Y40Mn”。 5．合金結(jié)構(gòu)鋼 ①鋼號(hào)開頭的兩位數(shù)字表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示，如40Cr。 ②鋼中主要合金元素，除個(gè)別微合金元素外，一般以百分之幾表示。當(dāng)平均合金含量＜1.5%時(shí)，鋼號(hào)中一般只標(biāo)出元素符號(hào)，而不標(biāo)明含量，但在特殊情況下易致混淆者，在元素符號(hào)后亦可標(biāo)以數(shù)字“1”，例如鋼號(hào)“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者鉻含量為0.4-0.6%，后者為0.9-1.2%，其余成分全部相同。當(dāng)合金元素平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……時(shí)，在元素符號(hào)后面應(yīng)標(biāo)明含量，可相應(yīng)表示為2、3、4……等。例如18Cr2Ni4WA。 ③鋼中的釩V、鈦Ti、鋁AL、硼B(yǎng)、稀土RE等合金元素，均屬微合金元素，雖然含量很低，仍應(yīng)在鋼號(hào)中標(biāo)出。例如20MnVB鋼中。釩為0.07-0.12%，硼為0.001-0.005%。 ④**優(yōu)質(zhì)鋼應(yīng)在鋼號(hào)**加“A”，以區(qū)別于一般優(yōu)質(zhì)鋼。 ⑤專門用途的合金結(jié)構(gòu)鋼，鋼號(hào)冠以（或后綴）代表該鋼種用途的符號(hào)。例如，鉚螺專用的30CrMnSi鋼，鋼號(hào)表示為ML30CrMnSi。 6．低合金高強(qiáng)度鋼 ①鋼號(hào)的表示方法，基本上和合金結(jié)構(gòu)鋼相同。 ②對(duì)專業(yè)用低合金高強(qiáng)度鋼，應(yīng)在鋼號(hào)**標(biāo)明。例如16Mn鋼，用于橋梁的專用鋼種為“16Mnq”，汽車大梁的專用鋼種為“16MnL”，壓力容器的專用鋼種“16MnR”。 7．彈簧鋼 彈簧鋼按化學(xué)成分可分為碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼兩類，其鋼號(hào)表示方法，前者基本上與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼相同，后者基本上與合金結(jié)構(gòu)鋼相同。 8．滾動(dòng)軸承鋼 ①鋼號(hào)冠以字母“G”，表示滾動(dòng)軸承鋼類。 ②高碳鉻軸承鋼鋼號(hào)的碳含量不標(biāo)出，鉻含量以千分之幾表示。例如GCr15。滲碳軸承鋼的鋼號(hào)表示方法，基本上和合金結(jié)構(gòu)鋼相同。 9．合金工具鋼和高速工具鋼 ①合金工具鋼鋼號(hào)的平均碳含量≥1.0%時(shí)，不標(biāo)出碳含量；當(dāng)平均碳含量＜1.0%時(shí)，以千分之幾表示。例如Cr12、CrWMn、9SiCr、3Cr2W8V。 ②鋼中合金元素含量的表示方法，基本上與合金結(jié)構(gòu)鋼相同。但對(duì)鉻含量較低的合金工具鋼鋼號(hào)，其鉻含量以千分之幾表示，并在表示含量的數(shù)字前加“0”，以便把它和一般元素含量按百分之幾表示的方法區(qū)別開來。例如Cr06。 ③高速工具鋼的鋼號(hào)一般不標(biāo)出碳含量，只標(biāo)出各種合金元素平均含量的百分之幾。例如鎢系高速鋼的鋼號(hào)表示為“W18Cr4V”。鋼號(hào)冠以字母“C”者，表示其碳含量高于未冠“C”的通用鋼號(hào)。 10．不銹鋼和耐熱鋼 ①鋼號(hào)中碳含量以千分之幾表示。例如“2Cr13”鋼的平均碳含量為0.2%；若鋼中含碳量≤0.03%或≤0.08%者,鋼號(hào)前分別冠以“00”及“0”表示之，例如00Cr17Ni14Mo2、0Cr18 Ni9等。 ②對(duì)鋼中主要合金元素以百分之幾表示，而鈦、鈮、鋯、氮……等則按上述合金結(jié)構(gòu)鋼對(duì)微合金元素的表示方法標(biāo)出。 11．焊條鋼 它的鋼號(hào)前冠以字母“H”，以區(qū)別于其他鋼類。例如不銹鋼焊絲為“H2Cr13”，可以區(qū)別于不銹鋼“2Cr13”。 12．電工用硅鋼 ①鋼號(hào)由字母和數(shù)字組成。鋼號(hào)頭部字母DR表示電工用熱軋硅鋼，DW表示電工用冷軋無取向硅鋼，DQ表示電工用冷軋取向硅鋼。 ②字母之后的數(shù)字表示鐵損值（W/kg）的100倍。 ③鋼號(hào)尾部加字母“G”者，表示在高頻率下檢驗(yàn)的；未加“G”者，表示在頻率為50周波下檢驗(yàn)的。 例如鋼號(hào)DW470表示電工用冷軋無取向硅鋼產(chǎn)品在50赫頻率時(shí)的**單位重量鐵損值為4.7W/kg。 13．電工用純鐵 ①它的牌號(hào)由字母“DT”和數(shù)字組成，“DT”表示電工用純鐵，數(shù)字表示不同牌號(hào)的順序號(hào)，例如DT3。 ②在數(shù)字后面所加的字母表示電磁性能：A——**、E——特級(jí)、C——超級(jí)，例如DT8A
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5離子氮化技術(shù)的特點(diǎn)離子滲氮*重要的特點(diǎn)之一是可以通過控制滲氮?dú)夥盏慕M成、氣壓、電參數(shù)、溫度等因素來控制表面化合物層（俗稱白亮層）的結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散層組織，從而滿足零件的服役條件和對(duì)性能的要求。離子滲氮化合物層常遇到的氮化物相有兩種：γ，-Fe4N相和ε-Fe2-3N相，離子氮碳共滲(俗稱軟氮化)還可能出現(xiàn)Fe3C相。γ，單相具有*小的脆性，但耐磨性較差，ε單相脆性也較小，并有較好的耐磨性和抗磨合性能。合金結(jié)構(gòu)鋼離子滲氮時(shí)一般均得到雙相（γ，+ε或ε+γ，）組織，脆性較單相大些，耐磨性較好；離子氮碳共滲得到ε+Fe3C(少量)組織，脆性并不增加，而有**的耐磨性。 一、影響化合物層中ε和γ，相含量的因素 影響離子滲氮化合物層結(jié)構(gòu)的因素很多，有滲氮?dú)夥盏挠绊懀摬某煞趾徒M織方面的影響，還有滲氮溫度、時(shí)間、氣壓等工藝方面的影響因素。 （一）滲氮?dú)夥盏挠绊?nbsp;離子滲氮?dú)夥罩械吞嫉暮渴怯绊懟衔飳酉嘟Y(jié)構(gòu)的重要因素。 1）氣氛含氮量對(duì)化合物層相結(jié)構(gòu)的影響 隨著氣氛含氮量增加，化合物層中ε相含量增多，白亮層也隨之增厚。如40Cr鋼用氨氣滲氮時(shí)，ε相含量相當(dāng)多，改用分解氨后則大大減少。 2）氣氛中添加含碳?xì)怏w將抑制γ，形成，而得到以ε相為主或ε單相結(jié)構(gòu)的化合物層。 如氣氛中加入丙烷（C3H8）后，化合物層中ε含量迅速增多，基本由ε單相組成。含碳量再增多則化合物層中開始出現(xiàn)Fe3C，含碳量繼續(xù)增多，則Fe3C增多，ε減少直到完全消失離子滲氮需要嚴(yán)格控制氣氛中含碳量，使之能得到ε單相或ε+少量Fe3C的雙相組織。這樣的組織其硬度和耐磨性均比單純離子氮化有較大提高。如45鋼在含80%N2的氮?dú)錃夥罩?70℃滲氮3小時(shí)，表面硬度只有575-603HV0.5，加入丙烷氣后，當(dāng)含碳量達(dá)到臨界值（不出現(xiàn)Fe3C的**含碳量）時(shí)，ε相化合物層的硬度達(dá)730-781 HV0.5。 （二）鋼材成分和組織的影響 隨著鋼中含碳量及合金元素增加，氮化層中ε相也隨之增多。 基體組織硬度較高者，滲氮層表面硬度也較高，而且化合物層較厚，其中ε相也較多。 一般來說，調(diào)質(zhì)組織滲氮化合物層中的ε相含量比正火組織少。 （三）滲氮保溫時(shí)間的影響 40Cr鋼化合物層厚度在滲氮初期增長(zhǎng)較快，保溫2-4小時(shí)后變化不大。而38CrMoAl鋼化合物層厚度則隨時(shí)間延長(zhǎng)而增厚，保溫24小時(shí)后，這種趨勢(shì)仍然保持著。 一般合金結(jié)構(gòu)鋼在用分解氨滲氮時(shí)，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，ε相減少，γ，相增多，長(zhǎng)時(shí)間保溫后，化合物層基本由γ，相組成。 （四）滲氮溫度的影響 40Cr鋼滲氮時(shí)，從500℃升到達(dá)560℃，化合物層中ε和γ，均增加，當(dāng)升到580-600℃時(shí)，ε相突然減少，γ，相數(shù)量猛增，當(dāng)溫度升到620℃，γ，相數(shù)量急劇減少，升到650℃以上則化合物層分解。 （五）氣壓的影響 離子滲氮化合物層的厚度在某一*佳氣壓下出現(xiàn)**值，氮化物ε相的含量和氣壓也有類似的關(guān)系。如40Cr鋼在530℃滲氮，氣壓為400Pa時(shí)，化合物層中ε相含量*多，而在570℃滲氮，這一氣壓值為530Pa。 二、獲得各種化合物層組織的工藝方法 （一）γ，單相化合物層的獲得 γ，相在室溫時(shí)它的含氮量為5.7-6.1%，相區(qū)狹窄，所以γ，單相化合物層比較薄，通常認(rèn)為可達(dá)8um。碳在γ，相中的溶解度不大，室溫時(shí)**溶碳能力為0.2%。由此可見，獲得γ，相的條件是滲氮表面貧碳和氮含量偏低。所以降低氣氛氮?jiǎng)?，?qiáng)化脫碳過程將有利于γ，的獲得。 用以下方法之一，可以獲得γ，單相化合物層： （1）降低氣氛的含碳量 用含氮25%的氮?dú)浠旌蠚饣蛘邿岱纸獍辈蝗菀椎玫溅?，單相化合物層，不論?8CrMoAl還是40Cr鋼，甚至碳鋼都程度不同地含有ε相，若進(jìn)一步降低氣氛含氮量到10%時(shí)，上述幾種鋼材都能得到γ，單相化合物層。 （2）降低爐氣壓力 低氣壓、高電壓，強(qiáng)化濺射和脫碳作用，有利于化合物層中γ，的形成。40Cr鋼和38CrMoAl鋼在含氮25%的氮?dú)錃夥罩?30℃滲氮，當(dāng)氣壓為160Pa時(shí)能得到薄薄的γ，單相化合物層，可以在保溫前1-3小時(shí)內(nèi)用低氣壓，而在以后的保溫過程中用一般氣壓滲氮。這樣γ，單相層可由1-2um增加到4-5um。提高滲氮溫度還能使它進(jìn)一步增厚。 （3）預(yù)脫碳法 用熱分解氨離子滲氮時(shí)，只有工業(yè)純鐵容易得到γ，單相化合物層。因此可以設(shè)想，如果使材料表面先形成一層脫碳層，隨后再滲氮，就可以得到γ，單相化合物層。如40Cr和38CrMoAl試樣先用氫氣起輝升溫，達(dá)到530℃后保溫1小時(shí)，然后改用25%N2-H2或熱分解氨繼續(xù)滲氮，都得到了γ，單相化合物層。 （4）延長(zhǎng)離子滲氮時(shí)間 碳鋼、40Cr等材料用分解氨離子滲氮時(shí)，隨著滲氮時(shí)間延長(zhǎng)，化合物層中ε相逐漸減少。 （二）ε單相和ε加少量Fe3C化合物層的獲得 離子氮碳共滲氣氛中碳量達(dá)到臨界值時(shí)，就能得到ε單相化合物層。如果超過臨界含碳量，則得到ε+Fe3C化合物層。圖2給出了45鋼在570-590℃離子氮碳共滲3小時(shí)，氣氛的組成與化合物層組織之間的關(guān)系?？梢姡畔鄦蜗鄥^(qū)非常狹窄，在圖中僅僅是一條線，即是臨界含碳量曲線。這就意味著獲得ε單相的工藝性較差，氣氛配比必須控制得很嚴(yán)格才能做到。否則經(jīng)常得到的是ε+Fe3C雙相化合物層。而形成ε+Fe3C化合物層的氣相配比范圍卻比較寬，生產(chǎn)上容易控制。Fe3C的存在能提高滲氮層的耐磨性，而且少量Fe3C和ε雙相化合物層的脆性并不比ε單相差。因此，離子氮碳共滲獲得ε+少量Fe3C化合物層是有利而無害的。圖2中陰影所示部分為離子氮碳共滲推薦氣氛的配比范圍。在陰影內(nèi)，于570-590℃滲氮3小時(shí)，正火45鋼表面可以得到15-30um的ε或ε+Fe3C構(gòu)成的化合物層。氣氛含氮量低，含碳量高，化合物層較薄，反之則厚。如果不需要過厚的化合物層，可以把共滲時(shí)間縮短至1-2小時(shí)。當(dāng)然，臨界含碳量也要作相應(yīng)調(diào)整。 離子氮碳共滲的溫度以570-590℃，時(shí)間以2-4小時(shí)為宜，氣壓一般用270-530Pa。 氮?dú)饧颖楣矟B也同樣能得到ε相或ε+Fe3C化合物層。滲層表面呈銀灰色，雖然不用氫氣，但丙烷中含有的氫足以防止表面氧化。這種工藝不需要?dú)錃?，便于在生產(chǎn)中應(yīng)用。 （三）用酒精和丙酮進(jìn)行離子軟氮化 目前國(guó)內(nèi)在生產(chǎn)上常用酒精和丙酮進(jìn)行離子軟氮化，也能得到增加化合物層中ε相含量的效果。一般得到ε-Fe2-3（CN）+γ，-Fe4N雙相化合物層，但是ε相的含量較普通離子滲氮多，因而表面硬度和耐磨性都有進(jìn)一步提高。 操作時(shí)先通氨氣升溫，到溫后在按一定比例送入含碳?xì)夥铡＞凭捅魵馐遣捎秘?fù)壓抽入的辦法通入爐內(nèi)。在氨/乙醇和氨/丙酮的流量比為9/1-7/3范圍內(nèi)，表面硬度以8/2為**；化合物層的厚度在流量比9/1-8/2范圍內(nèi)變化不大，再增加含碳?xì)夥眨衔飳语@著減??；不同流量比對(duì)擴(kuò)散層深度的影響不大。比較氨/乙醇和氨/丙酮這兩類氣氛，后者能獲得更高的表面硬度，較厚的化合物層和較深的擴(kuò)散層。其混合比以氨/丙酮=9/1-8/2為好。 三、無化合物層滲氮表面的獲得 滲氮時(shí)抑制化合物層，形成的純擴(kuò)散層組織具有很高的強(qiáng)韌性，稱之為高韌性滲氮層。 產(chǎn)生純擴(kuò)散層有兩種辦法： （一）兩段處理法： 第一段正常離子滲氮，得到γ，或γ，+ε化合物層的擴(kuò)散層，第二段采用氫、氬等氣體輝光放電，靠離子轟擊，使已形成的化合物層分解。 （二）控制含氮量： 在整個(gè)過程中保持等離子區(qū)的低氮?jiǎng)?，以避免在表面產(chǎn)生γ，氮化物的晶核。但此時(shí)氮?jiǎng)輵?yīng)恰好僅低于臨界值，以使擴(kuò)散層能被氮所飽和，并且在硬度和深度上不致比通常的擴(kuò)散層加化合物層降低太多。