氮化炉是通过在高温下将氮原子渗入金属工件表面，形成硬化层的热处理设备，广泛应用于提高零件的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度（如发动机曲轴、模具型腔等）。其工作原理围绕 “氮原子的扩散与化合物形成” 展开，通过精 准控制温度、气氛成分和处理时间，实现表面强化，具体过程如下：
一、核心原理：氮原子的渗透与强化
金属工件（以钢铁为主，也适用于钛、铝等合金）在氮化炉内的高温与特定气氛中，会发生一系列物理化学变化，最终在表面形成坚硬的氮化层：
氮源分解：通入炉内的含氮介质（如氨气 NH₃、氮氢混合气）在高温下分解，产生活性氮原子（N）。例如，氨气在 500-580℃时发生裂解：2NH₃ → 3H₂ + 2 [N]，其中 [N] 为可渗入金属的活性氮。
氮原子吸附与扩散：活性氮原子被工件表面吸附，突破金属表层原子的结合力，沿晶界或晶格间隙向内部扩散。扩散深度随时间延长而增加（通常氮化层厚度在 0.1-0.8mm，特殊需求可达 1mm 以上）。
化合物形成：氮原子与金属基体中的元素（如铁、铬、钼等）反应，形成金属氮化物（如 Fe₄N、CrN、Mo₂N）。这些氮化物具有极高硬度（800-1200HV），且分布在表层形成硬化层，显著提升表面耐磨性。
扩散层强化：在氮化层下方，氮原子固溶于铁基体形成扩散层，通过固溶强化和位错钉扎作用，提高材料的韧性与疲劳强度（如 40Cr 钢氮化后疲劳极限提升 30%-50%）