与渗碳和渗氮相比，碳氮共渗在工艺与渗层性能两方面均有其独特之处。碳氮共渗兼有两者的优点。碳氮共渗可分为固体碳氮共渗、液体碳氮共渗和气体碳氮共渗，目前主要为气体碳氮共渗。为获得良好的力学性能，必须严格控制碳氮共渗表层的碳氮含量。图5-361018钢和8620钢在845℃碳氮共渗4h后渗层中的碳、氮含量和硬度梯度2)气体碳氮共渗工艺在共渗剂一定时，共渗温度不同，渗层中碳、氮含量及渗层深度将不同。......
2023-06-24
碳氮共渗工艺及应用介绍
【摘要】：在奥氏体状态下同时将碳、氮渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。深层碳氮共渗渗层深度可达3mm左右，用于承受载荷较大的工件。碳氮共渗介质的加入量按每小时为炉膛体积的3～8倍，小型设备取下限。气体碳氮共渗温度 对碳钢和低合金钢，共渗温度常用840～860℃。表2-25 不同钢种的K值两阶段气体碳氮共渗时，第一、二阶段的时间基本相等，第二阶段时间包括中间降温时间。
在奥氏体状态下同时将碳、氮渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。根据渗剂不同，可以分为固体碳氮共渗、液体碳氮共渗、气体碳氮共渗。随着控制技术的发展和环保意识的增强，固体碳氮共渗已很少应用，液体碳氮共渗也受到限制，逐渐为气体碳氮共渗所代替。
气体碳氮共渗根据渗层深度的不同，分为薄层碳氮共渗（≤0.3mm）和厚层碳氮共渗（>0.3mm）。一般碳氮共渗的渗层深度较薄（<1mm），应用的范围主要是承受中、低载荷的耐磨件。深层碳氮共渗渗层深度可达3mm左右，用于承受载荷较大的工件。
1.气体碳氮共渗工艺
（1）常用渗剂 常用的气体碳氮共渗渗剂是由渗碳剂（如煤油、甲烷、丙烷等）与氨所组成。
1）液体有机化合物+氨：①煤油+氨；②甲醇+乙醇+氨。液体有机化合物分别装在不同容器中，通过滴注器滴入炉内。氨气经减压和干燥后通入炉内。
2）气体渗碳剂+氨：吸热式气+甲烷（或丙烷）+氨。吸热式气露点控制在0℃左右。通入体积分数为5%～10%的甲烷（或体积分数为1%～3%的丙烷）。氨通入量1%～10%（体积分数）。
3）氮基气氛+丙烷+氨：氮基气氛由氮气+甲醇组成，氮基气氛比例：CH3OH（液体）（L/h）∶N2（m3/h）=1∶（1.1～1.33）。
气态氨通入工作炉前应经过含有0.5nm分子筛或硅胶的干燥器中吸水，分子筛和硅胶根据使用量的情况应定期在200℃左右烘干3h以上脱水。
碳氮共渗介质的加入量按每小时为炉膛体积的3～8倍，小型设备取下限。煤油与氨气的加入量要有一定的比例。
（2）气体碳氮共渗温度 对碳钢和低合金钢，共渗温度常用840～860℃。在此温度范围内晶粒不长大，变形小，渗速适当并可在渗后直接淬火。
对受力不大、要求变形小的薄壁耐磨件（自行车、缝纫机及仪表零件）可在780～800℃共渗。800℃共渗时，工件心部不发生相变，韧性好，表面得到碳氮化合物和马氏体，温度再低，表面易形成脆性高的化合物。
（3）气体碳氮共渗时间 根据渗层深度（x）确定共渗时间，渗层深度与共渗时间关系式为
式中x——渗层深度（mm）；
t——共渗保温时间（h）；
K——为常数。在860℃气体碳氮共渗时，不同钢种的K值见表2-25。
表2-25 不同钢种的K值
两阶段气体碳氮共渗时，第一、二阶段的时间基本相等，第二阶段时间包括中间降温时间。
（4）有效硬化深度的确定 可以参考渗碳有效硬化深度的设计。
（5）碳氮共渗的碳势 碳势设定要求一般为0.80%～1.00%。共渗阶段的炉内压力应该保持在100～200Pa。
（6）共渗后热处理 低碳钢工件共渗后可以直接在小于40℃的自来水中淬火。
1）低碳合金钢、中碳结构钢工件形状简单，可在小于80℃的全损耗系统用油中冷却。
2）工件回火前必须按清洗防锈工艺脱脂，中间防锈后再回火。
3）共渗工件一般低温回火（180～220℃×2h）即可，装炉量多应延长时间，炉气应该循环，否则应力不能完全消除。
4）对热处理要求变形小的工件，可以在闪点高的油中淬火；对合金钢工件，也可以采用分级等温淬火。
5）共渗后需机加工的工件，应该共渗后空冷或缓冷，但重新加热淬火时表面应进行，以保护防止脱碳氧化。
6）含铬、镍的高合金钢（如12CrNi3A、20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA等）工件共渗后可直接油冷淬火，并冷处理（-70～-80℃），然后再低温回火，同样也可以用高温回火（600～650℃）代替冷处理（减少残留奥氏体），然后再重新加热到800～850℃淬油，并低温回火。
2.气体薄层碳氮共渗工艺
薄层碳氮共渗或薄层渗碳工艺较广泛地用于自行车、缝纫机、仪表、标准件等行业要求耐磨、抗疲劳的各种钢件上，多数为08F、Q215AF、Q235AF、10、15、20等低碳钢所制造的小型薄壁零件。气体薄层碳氮共渗的渗层厚度≤0.3mm。薄层碳氮共渗工艺特点如下：
1）使用渗剂一般采用氮基气氛+富化气+氨，如丙酮+甲醇+氨、甲醇+乙醇+氨。
2）共渗温度大多在850～870℃，共渗时间短，一般为1～2h，共渗速度为0.15～0.20mm/h。
3）共渗工艺不需要扩散共渗阶段。
4）共渗之后，根据工件的淬透性和工件尺寸大小，直接水冷淬火或油冷淬火，不需要重新加热淬火。
5）工件的检测按照JB/T 7710—2007《薄层碳氮共渗或薄层渗碳钢件显微组织检测》进行。
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