碳氮共渗工艺及其渗层性能分析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：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。

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。渗氮处理能得到高硬度表层(1000HV以上)，因而具有高的耐磨性，但缺点是渗氮时间太长，高硬度扩散层很浅，过渡层硬度下降太快，致使工件不能承受大的工作负荷。渗碳处理时，高硬度表层较深，次表层硬度下降缓慢，能承受大的负荷，但缺点是渗碳温度高、时间长，变形大，且耐磨性和疲劳性能较低。碳氮共渗兼有两者的优点。

(1)氮的渗入降低了渗层的相变温度(A1和A3点)，所以共渗温度较低，工件不易过热，渗后可直接淬火，变形较小。

(2)渗入速度较快，可大大缩短工艺周期，但共渗层较薄(<0.8mm)。

(3)氮的渗入提高过冷奥氏体的稳定性，故渗层淬透性较高，淬火时可采用较低的淬火冷却速度，有利于减小淬火变形。同时，氮的渗入还使渗层Ms点降低，淬火后共渗层中残留奥氏体较多，降低了脆性。

(4)表层硬度、耐磨性与疲劳强度比渗碳件高，且承载能力比渗氮件高。

因此，碳氮共渗正取代薄层渗碳(层深<0.75mm)，应用越来越广。对于承受弯曲、交变载荷及一定冲击的轴和齿轮来说，共渗层深度常取0.65～0.75mm；对于轻载荷的工件，共渗层深度可减少到0.55mm以下。原来进行渗碳的工件改为碳氮共渗时，共渗层深度一般取原渗碳层深度的2/3。

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。因此，下面以气体碳氮共渗为基础，对比讨论渗入反应以及渗层成分、组织和性能的变化。

1.碳氮共渗件用钢及加工路线

渗碳用钢一般均可用于碳氮共渗。对于渗层较薄的工件，碳氮共渗还可采用中碳钢或中碳合金钢(如40Cr、40CrNiMo等)。由于这类钢心部具有较高的强度，因此在共渗层较薄的条件下可获得较高承载能力。

碳氮共渗件的加工路线与渗碳件类似，即下料→锻造→预备热处理→粗加工、半精加工→碳氮共渗→淬火＋低温回火→精磨，只有碳氮共渗后才可直接淬火，而渗碳件则需根据钢种而定。

2.气体碳氮共渗原理与工艺

1)气体碳氮共渗原理

气体碳氮共渗通常使用渗碳气(载气＋富化气)＋1%～10%氨气的气氛。此外，还有使用滴注苯或煤油＋氨气，以及滴注含碳氮的有机化合物(如三乙醇胺等)的气体碳氮共渗。

氨气加入渗碳气氛中，与其中的组分发生下述反应

NH3＋COHCN＋H2O

NH3＋CH4HCN＋3H2

反应生成的氰化氢则依下式发生分解

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形成活性碳、氮原子，渗入工件表面。

氨通过稀释和与其他组分反应这两种作用也会影响到气氛的碳势。氨的加入降低了气氛碳势，这种影响可能是通过提高气氛露点或是降低CH4含量而引起的。

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。碳氮含量过低，不能获得高硬度、高强度和合理的残余压应力分布；碳氮含量过高，淬火后残留奥氏体过多，出现大量不均匀的块状碳氮化物，使表层脆化，性能降低。一般认为，表层最佳含量wC为0.7%～0.9%和wN为0.25%～0.4%。图5-36所示为在氨含量(体积分数)为5%的气氛中碳氮共渗渗层中所获得的碳、氮浓度分布和硬度值。在氨加入量相同时，气氛碳势的变化只影响渗层的碳含量，而对氮含量影响很小。

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图5-36　1018(0.18C)钢和8620(0.2C-0.65Cr-0.55Ni-0.12Mo)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。图5-37为共渗温度对渗层碳、氮含量分布的影响。由图可见，共渗中渗入的主要是碳原子，并且随温度提高，渗层中氮含量急剧下降，而碳含量却逐渐提高。这是由于温度升高，氨分解率增大，大量氨尚未与工件表面接触就已发生分解，分解出的活性氮原子在到达工件表面前很短时间内就已结合成氮分子，使工件表面获得活性氮原子的概率减少。另外，由Fe-N相图可知，温度升高，氮在奥氏体中溶解度降低，而温度升高却使碳在奥氏体中溶解度增大，这也对渗碳有利，但对渗氮不利。

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图5-37　共渗温度对渗层碳、氮含量分布的影响

(a)20钢，煤油80～90滴/min，氮1.8～1.9L/min；(b)10钢，煤油＋氨气，1.5h

把共渗温度提高到900℃以上时，渗层中氮含量极低，共渗层成分及组织与渗碳层相近，如图5-37(b)所示，且使工件畸变增大，晶粒粗化，失去共渗意义，所以高温碳氮共渗很少采用。而温度过低，则渗速太慢，且渗层易出现脆性氮化物，心部组织淬火后会出现未溶铁素体使性能变差。生产中碳氮共渗温度一般采用800～880℃，此时，渗速中等，畸变较小，且奥氏体晶粒没有粗化，渗后可直接淬火。

图5-38所示为不同温度下共渗时间对碳氮共渗层深度的影响。由图可见，共渗时间对渗层深度的影响也符合规律，即渗速也是先快后慢。在温度一定的情况下，共渗时间主要取决于所要求的渗层深度。此外，共渗保温时间还受共渗剂及氨的供给量、工件的钢种和装炉量等因素影响。生产中常以共渗平均速度来估算时间。例如，在840℃共渗，渗层深度在0.5mm以下时，共渗平均速度为0.15～0.25mm/h；渗层深度在0.5～0.9mm时，共渗平均速度为0.1mm/h。此估算方法很粗略，只能作为参考，生产中还需通过检查随炉试样的渗层深度来确定工件出炉时间。由于共渗后期碳氮共渗速度明显减慢，与渗碳速度差别变小，故碳氮共渗多用于渗层要求较薄的工件(<0.8m)。当工件渗层深度要求较薄时，用碳氮共渗取代渗碳较为合理。生产中，在800～880℃下，碳氮共渗时间通常取0.5～4h。

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图5-38　不同温度下碳氮共渗层深度与共渗时间的关系

共渗剂中渗碳与氨的比例，对共渗层的碳、氮含量影响很大。氨加入量增加，将使氮势提高，碳势降低，从而使共渗层氮含量提高，碳含量降低，组织中易出现块状碳氮化物，使渗层脆性增大。若氨加入量太少，渗层中氮含量太低(wN<0.1%)，则渗层淬透性偏低，淬火时易出现托氏体组织。因此，应根据工件钢种、渗层组织、性能要求及共渗温度等确定氨气加入量。在吸热式气体＋富化气(甲烷或丙烷)＋氨气中共渗时，加入氨的比例以3%(体积分数)左右为宜；采用煤油＋氨气进行碳氮共渗时，氨的体积分数可占总气体体积的10%。

氨量增加，碳势降低的原因可能与以下因素有关：氨气分解后，生成的N2和H2体积比原氨气体积增加1倍，使炉气稀释；氨气与其他组分发生的反应使渗碳组分减少。

3.碳氮共渗后的热处理

碳氮共渗后的热处理与渗碳后的热处理基本相同，即共渗后进行淬火和低温回火。

由于共渗温度较低，变形较小，所以除渗后需要机械加工的零件外，一般均采用直接淬火。同时由于氮的渗入提高了渗层的淬透性，所以可以采用较缓和的介质冷却。

淬火后一般在180～200℃进行低温回火。由于共渗层的耐回火性较高，所以在此温度回火后仍可保持58HRC以上的硬度。

4.碳氮共渗层的组织与性能

碳氮共渗并淬火后，一般其表层组织为马氏体＋残留奥氏体＋弥散分布的碳氮化物，向内是马氏体＋残留奥氏体。如果渗层中碳、氮浓度较低，则仅形成马氏体＋残留奥氏体层，而不出现碳氮化物。

由于碳氮共渗表层具有较多的弥散分布的碳氮化物，因而具有较高的硬度和耐磨性，其耐磨性一般高于渗碳件。另外，碳氮共渗后工件表层产生很大的残余压应力，此压应力远高于渗碳件，因此其疲劳强度远大于渗碳件。

然而，碳氮共渗钢容易出现下列一些组织缺陷。

(1)表层残留奥氏体量过多，这是由于表层碳、氮含量过高造成的；

(2)渗层中出现空洞，这是由于氮含量太高，使氮原子聚集成分子而逸出造成的；

(3)内氧化，其氧化物可能呈点状或小块状分布，或沿晶界分布，其扩展深度一般在10μm之内，可能导致晶界非马氏体组织的出现，这同渗碳时的情况极为相似；