碳氮共渗的知识点和应用

碳氮共渗处理是将工件放在能产生碳、氮活性原子的介质中加热并保温，使工件表面同时吸收碳和氮原子并向内部扩散，形成具有一定碳氮浓度和一定厚度的渗层，然后按适当方式冷却（一般是直接淬火）的方法。碳氮共渗一般指的在700～880℃进行的中温碳氮共渗过程。碳氮共渗是以渗碳为主，其目的与渗碳相近，在保持工件内部具有较高韧性的条件下，得到高硬度、高强度的表面层，以提高工件的耐磨性和疲劳强度，延长工件使用寿命。

碳氮共渗主要是气体法，也有液体法和固体法。本节重点介绍中温（760～880℃）气体碳氮共渗工艺。与渗碳相比，碳氮共渗有下列特点：

1）渗层的深度由于氮的渗入而增加。在相同的温度和时间条件下，碳氮共渗层的深度远大于渗碳层的深度，提高了渗层中的碳浓度；

2）渗层的相变温度（A₁及A₃点）由于氮的渗入而降低。使碳氮共渗温度低，共渗后奥氏体晶粒不致长大，可以直接淬火，变形小，渗层较薄一般在0.25～0.6mm范围；

3）共渗层的淬火组织，一般是由细针状（或隐晶）马氏体、适量碳渗氮合物及残留奥氏体组成，具有高耐磨性；

4）渗层的Ms点因氮的渗入而降低，因此表层残留奥氏体较多。

（1）设备及渗剂 将渗碳设备略加改装，增加含氮介质的注入通道即可实现气体碳氮共渗，气体碳氮共渗工艺与气体渗碳差不多，气体碳氮共渗使用的介质见表5-7。

表5-7 气体碳氮共渗常用介质

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煤油+氨气及三乙醇胺等几种不同介质对碳氮共渗工艺性能及渗层表面碳、氮浓度的影响见表5-8。该试验采用JT-90井式气体渗碳炉，试样材料为20Cr，碳、氮浓度为表面至0.1mm深度内的平均值。根据此表所列数据可知，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5-8 不同介质对碳氮共渗工艺性能及渗层表面碳、氮浓度的影响

（2）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。生产中采用的共渗温度一般均在820～880℃范围内，此时，工件晶粒不致长大，变形较小，渗速中等，并可直接淬火。温度愈高，为达到一定厚度渗层所需时间愈短，但工件变形增大，当温度高于900℃时，渗层中氮含量很低，渗层成分和组织接近渗碳。确定共渗温度后，则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、氮浓度梯度变得较为平缓，有利于提高工件表面的承载能力。但时间过长，易使表面碳、氮浓度过高，引起表面脆性或淬火后残留奥氏体过多。

（3）碳氮共渗后的热处理 为使工件具有较高强度和耐磨性，必须通过淬火使渗层转变为含碳、氮的马氏体，心部为低碳马氏体、贝氏体或珠光体组织，并通过低温回火，适当提高钢的韧性使表面达到高硬度、高耐磨性，而心部保持良好的韧性。因碳氮共渗温度比渗碳低，一般不会发生晶粒长大，共渗后大都可以进行直接淬火。碳氮共渗后的热处理应能保证工件获得要求的组织及性能，并尽量减少变形量。表5-9列出了常用结构钢碳氮共渗及后续热处理规范、表面硬度。

表5-9 常用结构钢碳氮共渗及后续热处理规范

由于氮使耐回火性提高，故碳氮共渗后的工件可在较高温度回火。一般情况下，共渗后的齿轮在180～200℃回火，以减少脆性并保证表面最低硬度高于58HRC；紧固件在260～430℃回火，以提高抗冲击性能。表面需磨削加工的工件也应回火，以减少磨削时的开裂倾向。