碳氮共渗件的组织结构和性能分析

1.碳氮共渗件的组织

工件碳氮共渗并淬火后的组织为含氮的高碳马氏体，并有一定数量的残留奥氏体和碳氮化合物。为了保证工件具有较高的力学性能，要求马氏体呈细针状或隐晶状，残留奥氏体不可过多，碳氮化合物呈颗粒状，不应出现大块或沿晶界网状分布的碳氮化合物。工件心部应为细晶粒组织（马氏体、贝氏体或屈氏体），不应有大块铁素体存在。碳氮共渗在组织上的特点是共渗过程中形成化合物的倾向较大，以及淬火后渗层中残留奥氏体较多。渗层中碳、氮的含量通过影响化合物的数量及分布、残留奥氏体的多少等组织因素，而对工件的力学性能发生重大影响。因此，应针对不同钢种及不同的使用性能要求，确定渗层中的最佳碳、氮含量，并通过调节共渗气氛的活性（碳、氮含量）及含碳和含氮介质的比例予以保证。几种钢件碳氮共渗层的最佳碳、氮含量见表6-38。

表6-38 几种钢件碳氮共渗层的最佳碳、氮含量

2.碳氮共渗件的力学性能

图6-16 工件碳氮共渗并淬火后硬度沿层深的分布(www.xing528.com)

a）20MnTiB（850℃碳氮共渗，连续式有炉罐） b）30CrMnTi（850℃碳氮共渗，介质为三乙醇胺）

（1）硬度和耐磨性 工件碳氮共渗淬火后表层硬度一般比渗碳淬火后略高，而硬度梯度则较陡（与渗层中碳含量的变化相对应），共渗层表面硬度比次层略低是由于表面处有较多的残留奥氏体（见图6-16a）。在表面附近有碳氮化合物析出的情况下，在硬度曲线上距表面0.1mm处出现硬度凹坑，这是因为该处残留奥氏体量最多（见图6-16b）。几种钢渗碳及碳氮共渗后的耐磨性对比见表6-39。

表6-39 几种钢渗碳及碳氮共渗后的耐磨性

（2）抗拉强度、塑性和韧性 与伪渗碳及伪共渗（炉内气氛为空气）后的性能相比，渗碳及碳氮共渗使材料的抗拉强度大为提高，冲击韧性明显下降，断后伸长率及断面收缩率大幅度降低，而碳氮共渗与渗碳之间并无明显差别。一般在用碳氮共渗代替渗碳时，渗层深度要减薄很多，工件的冲击韧性会显著提高。

（3）疲劳强度 碳氮共渗不仅通过改变工件表面的组织成分和性能，直接提高表层的强度，而且还使表层产生残余压应力，使工件的弯曲疲劳强度及接触疲劳强度都显著提高。但氮含量过高将出现黑色组织，反而使接触疲劳强度降低。