气体碳氮共渗技术优化方案

1.气体碳氮共渗介质

气体碳氮共渗对炉子的要求与气体渗碳相同，因而各种渗碳炉均适用于碳氮共渗。气体碳氮共渗常用的介质有两类：一类是渗碳介质中加入氮，另一类是含有碳氮元素的有机化合物。前者可用于连续式作业炉，也可用于周期式作业炉，后者主要用于滴注式气体碳氮共渗。常用气体碳氮共渗介质的组成见表6-27。

表6-27 常用气体碳氮共渗介质的组成

2.气体碳氮共渗反应原理

（1）渗碳剂与氨气的热分解反应 液体碳氢化合物分解的产物以及各种气态渗碳剂，都包含有一氧化碳和甲烷两种成分，当它们在高温下与钢件表面接触时，分解析出活性碳原子，见式（6-1）、式（6-4）。

氨气分解析出活性氮原子：

2NH₃→2[N]+3H₂ （6-7）

在碳氮共渗炉子里，氨气还同渗碳气体相互作用产生氢氰酸：

NH₃+CO→HCN+H₂O （6-8）

NH₃+CH₄→HCN+3H₂ （6-9）

氢氰酸是一种化学性质活泼的物质，进一步分解析出碳、氮活性原子，促进共渗过程：

2HCN→H₂+2[C]+2[N] （6-10）

（2）氨气含量对渗层化学成分的影响 共渗介质中氨气与渗碳剂的比例对渗层中碳、氮含量影响甚大。随着氨含量增加，渗层氮含量提高，碳含量降低，即炉气的碳势下降，露点升高。

因此，应根据工件钢种、对渗层组织和性能的要求以及共渗温度等确定氨气比例。

（3）含氮有机化合物的热分解反应及其特点 这类介质中目前用得较多的主要是三乙醇胺。它是一种黄褐色的有机液体，无毒，在500℃以上按下式分解：

（C₂H₄OH）3N→2CH₄+3CO+HCN+3H₂（6-11）其中甲烷、一氧化碳及氢氰酸及工件表面接触时，分解析出活性碳、氮原子，并渗入工件表面。

用三乙醇胺进行碳氮共渗的操作与煤油渗碳一样，不过在270～500℃会因分解不完全而产生沥青状物质，导致滴油管堵塞。因此，必要时可在滴油管和炉盖接头处加一水冷套。表6-28列出三乙醇胺在不同温度下热解后的成分。

表6-28 三乙醇胺在不同温度下热解后的成分

(www.xing528.com)

工件在850～870℃经三乙醇胺共渗处理后，表面最高碳含量w（C）达0.9%～1.05%，氮含量w（N）为0.3%～0.4%。为了进一步提高渗层氮含量，可加入一定数量的尿素。尿素在常温下是白色结晶粉末，在进入炉子后也能分解析出活性碳、氮原子，反应如下：

（NH₂）2CO→2[N]+CO+2H₂ （6-12）

通常是将尿素与三乙醇胺混合后加热熔化通入炉内。为了改善介质的流动性及提高产气量，还可加入一定比例的甲醇。

苯胺也是含碳、氮的有机液体，在高温下分解产生活性原子，渗入工件表面。其反应如下：

C₆H₅NH₂→NH₃+6[C]+2H₂ （6-13）

（4）碳氮共渗介质性能比较 在确定选用何种碳氮共渗介质时，往往要考虑它们对渗层组织及性能的影响，还应考虑渗速的快慢、操作是否方便以及供应是否充足等因素。

苯胺、煤油+氨气及三乙醇胺等几种不同介质对碳氮共渗工艺的影响见表6-29。该试验采用JT-90井式气体渗碳炉，试样材料为20Cr。根据表6-29所列数据可知，煤油+氨气比较适合于大批量生产。如果生产批量不大，则可采用工业三乙醇胺，虽然价格较高，但可直接使用井式渗碳炉的滴注装置，不需要另外增加供氨设备。

表6-29 几种不同介质对碳氮共渗工艺的影响

注：1.渗层深度为0.70～0.85mm（测至1/2过渡区）。

2.渗速是按保温时间计算的。

3.碳、氮含量为表面至0.1mm深度内的平均值。

3.气体碳氮共渗温度和时间

碳氮共渗温度的选择应同时考虑工艺性和工件的使用性能，如共渗速度、工件变形、渗层组织及性能等。温度越高，为达到一定厚度的渗层所需时间越短，如图6-14a所示，但工件变形增大，而且渗层中氮含量急剧下降。当温度高于900℃时，渗层中氮含量已经很低，渗层成分和组织与渗碳相近，如图6-14b所示。降低共渗温度有利于减小工件变形，但温度过低，不仅渗速减慢，而且在渗层表面易形成脆性的高氮化合物，心部组织淬火后硬度较低，使工件性能变差。生产中采用的共渗温度一般为820～880℃，此时，工件晶粒不致长大，变形较小，渗速中等，并可直接淬火。保温时间主要取决于渗层深度要求，随着时间延长，渗层内碳、氮含量梯度变得较为平缓，如图6-15所示。这有利于提高工件表面的承载能力。但时间过长，易使表面碳、氮含量过高，引起表面脆性或淬火后残留奥氏体过多。如出现这种情况，应降低共渗后期的渗剂供应量，或适当提高处理温度。

图6-14 碳氮共渗温度对渗层及表面碳、氮含量的影响

（共渗介质：煤油+氨气）

a）20钢 b）10钢（1.5h）