碳氮共渗初探

摘 要：首先对碳氮共渗的概念、现状、发展进行简要介绍，然后对碳氮共渗工艺，尤其是广泛应用的中温气体碳氮共渗进行较详尽的分析，接着对碳氮共渗的缺陷产生、预防、质量控制等进行论述和研究，最后展望了碳氮共渗的发展前景。

关键词：碳氮共渗;工艺分析;质量控制

0 引言

笔者于20世纪80年代初毕业于工科院校的热处理专业，后被分配到某市热处理中心，有较长时间从事热处理生产和研究的经历，接触的热处理零件种类较多，范围较广，尤其对氮化、渗碳、碳氮共渗等化学热处理有较深入的研究。本文主要结合笔者的实际工作经历，对碳氮共渗，尤其是气体碳氮共渗进行了初步总结，希望与广大同行互相学习、共同探讨。

1 碳氮共渗概述

1.1    碳氮共渗定义

所谓“碳氮共渗”，就是在渗碳和渗氮基础上发展起来的一种化学热处理工艺，即向钢制零件表层同时渗入碳原子和氮原子的过程，其主要目的是改变钢制机械零件的硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性等。

1.2    碳氮共渗的方法和分类

（1）按渗剂不同，碳氮共渗可分为固体碳氮共渗（常采用黄血盐、碳酸铵、木碳等渗剂）、液体碳氮共渗（以氰盐为主要原料）和气体碳氮共渗（以氨气、煤油、苯、丙烷、三乙醇胺为主要原料）。（2）按共渗温度不同，碳氮共渗可分为低温碳氮共渗（520～580 ℃）、中温碳氮共渗（780～880 ℃）和高温碳氮共渗（880～930 ℃）。低温碳氮共渗也称软氮化，中高温碳氮共渗俗称氰化。

1.3    碳氮共渗的化学机理

以应用较广的气体碳氮共渗——采用丙烷富化的吸热式气体作为渗剂的化学反应为例：

CH4+NH3→HCN+3H2      CO+NH3→HCN+H2O

新生成的氰氢酸（HCN）在工件表面分解产生活性原子：

HCN→H2+2[C]+2[N]

活性碳氮原子被零件表面吸收，形成共渗表层，从而改变金属零件表层的成分，通过随后的淬火等处理，可以达到改善零件机械性能的目的。

2 气体碳氮共渗工艺分析

根据钢种、零件大小形状、机械性能要求等的不同，适时选择、调整共渗剂种类、流量、共渗温度、共渗时间、后续热处理方法等，以期达到最佳的工艺参数组合，使处理后的零件获得合适的机械性能是本文研究的主要目的。

2.1    共渗介质

目前气体碳氮共渗常用的渗剂主要有两大类：一类是2%～10%的氨气加渗碳气体，另一类是含碳氮的有机溶液，常用的有三乙醇胺及三乙醇胺中溶入20%左右的尿素。共渗介质中氨量增加，可以使渗透层中氮量提高，碳量降低，应根据钢种、渗层组织性能要求及共渗温度确定氨气比例。图1为渗碳气氛中氨加入量对炉气碳势、氮势的影响。

2.2    共渗温度

共渗温度直接影响到介质的活性、碳氮原子的形成及其在工件表面的扩散速度，温度过高，碳的渗速加快，但氮化渗速反而降低，且工件变形将会增大。根据钢种和使用性能要求，共渗温度常选在820～880 ℃。

2.3    共渗时间

共渗时间根据渗层深度要求而定，实验证明，渗层深度（mm）与时间的关系符合抛物线规律：

X=K

式中：t为共渗保温时间（h）;K为常数（不同钢种、不同共渗温度的K值不同，但存在规律可循）。

此外，渗剂的成分和流量、工件的装炉量等因素对共渗时间也存在一定影响，实践中，要综合考虑多种因素而定。

3 气体碳氮共渗层的组织、性能、缺陷及质量控制

3.1    共渗层的组织及性能

碳氮共渗工件，一般共渗后都采用直接淬火加回火的工艺，所以在此只讨论淬回火后的组织及性能。此共渗层的组织，取决于渗层中碳/氮浓度、钢种及共渗温度等因素，共渗件直接淬火、回火后，其表面基体组织与形态均为含氮马氏体及残余奥氏体。值得提出的是，当共渗碳氮浓度稍高时，最终的基体马氏体中还会出现一定浓度的含碳氮化合物的富集区，这对于碳氮共渗件来说是良好的组织，对提高零件的耐磨性、抗腐蚀性都大有裨益。

3.2    碳氮共渗的缺陷及质量控制

3.2.1    碳氮共渗层组织及深度测量

由于碳氮共渗层都比较浅，一般在0.02～0.5 mm，因此其深度的計算是由表面一直到心部分界线为止。

碳氮共渗淬火后，表层含氮马氏体一般仅占0.03 mm，分界线较清晰，容易测量。过渡层及心部组织根据共渗处理工艺不同而有所变化，会出现碳氮化合物、残余奥氏体、屈氏体及铁素体，但界限较分明，在100倍显微镜下，很容易区分和测量。国际标准（ISO 2639）规定，碳氮共渗大于0.3 mm深度的有效硬化层深度是由表面测到HV550为止。

3.2.2    碳氮共渗的缺陷

常见的缺陷有表面脱碳、脱氮，出现非马氏体组织，心部铁素体过多，渗层浓度不够或不均匀，表面硬度低等。此外，还有一些与氮的渗入有关的组织缺陷，如粗大碳氮化合物、黑色组织等。

3.2.3    碳氮共渗的质量控制

碳氮共渗最重要的缺陷是黑色组织，即黑点、黑网、黑带，俗称“三黑”。黑色组织对零件的使用性能影响极大，表层存在0.08 mm的黑色组织，就能使齿轮类零件的弯曲疲劳性能降低50%，0.04～0.05 mm的黑色组织可使接触疲劳性能降低80%～90%，特别是黑色组织以带状和网状形态存在时，将严重影响零件的硬度、疲劳强度，极大地缩短零件的使用寿命。黑色组织的成因有多种，多是由内氧化或石墨夹杂物的析出引起。一般认为，采用吸热式气体加富化气和氨进行碳氮共渗时，更容易出现黑色组织。特别是前期，氨的供应量越大，越容易出现黑色组织。

适当提高共渗温度，采用干燥氨气，降低气氛中的CO2、O2和H2O含量，均能有效减少合金元素的内氧化现象，从而减少黑色组织的产生。加速冷却，选择合适的淬火油，可以抑制奥氏体向非马氏体转变，也可以减少黑色组织的数量。此外，采用含Mo、Ni等氧化倾向较小的共渗钢种，也有助于抑制黑色组织的形成。因为这些元素能显著提高钢的淬透性，大大推迟珠光体的转变时间，有利于表层马氏体的形成。其他的共渗件缺陷，如非马氏体组织脱碳/脱氮、渗层深度不够、表面硬度低、残余奥氏体量过多等，与渗碳件相同，可通过控制共渗温度、碳氮势，选择合适的淬火油等措施加以解决，在此不再赘述。

4 碳氮共渗的发展

上述介绍的只是传统意义上的碳氮共渗，随着新技术、新设备、新工艺的采用，以碳氮共渗为基础的表面化学热处理得到了极大发展。

4.1    真空碳氮共渗

为了减少传统碳氮共渗工件表面的晶界氧化层，缩短共渗时间，提高生产效率，改善工件表面机械性能，21世纪初真空碳氮共渗技术应运而生。该技术就是，工件在真空炉内，先在渗碳温度下通入渗碳气体进行渗碳，然后降低温度再通入渗氮气体进行氮化，使工件表面得到较传统碳氮共渗更优良的机械性能。

4.2    稀土及非金属硼、硫的碳氮共渗

研究表明，稀土化合物或稀土单质，在碳氮共渗时有明显的催渗作用，可减少工艺时间，提高生产效率。平均可降低30%左右的时间，使工件表面的硬度、耐磨性、冲击韧性和抗腐蚀性都有一定提高。碳氮共渗时适当加入硼、硫等非金属元素，能起到改善工件表面热处理淬火后机械性能的作用。

4.3    铁素体合金化碳氮共渗

这是一种全新的表面硬化技术，是在碳氮共渗时同时渗入Al、Cr、Ti、V等金属元素，使工件表面硬度更高，而脆性降低，从而改善工件表面机械性能。对于一些有特殊表面性能要求的零件，这一技术具有重要的实践意义。

4.4    加压气体碳氮共渗

气体碳氮共渗时，在传统工艺的基础上，适当增加炉内压力，即采用加压脉冲工艺，能使共渗件表面的化合物层更加致密，基本杜绝了表面疏松等缺陷，对工件机械性能有较明显的改善。

5 结语

碳氮共渗作为一种表面化学热处理技术，因其具有较明显的优势，多年来应用十分广泛。但随着技术的进步，应用场景要求越来越高，传统意义上的碳氮共渗已很难满足新要求，应用面有逐渐变窄的趋势。将来，采用新技术、新设备、新工艺的碳氮共渗工艺必将逐步取代传统碳氮共渗工艺，获得更加广泛的应用。

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收稿日期：2021-01-05

作者简介：吕铁铮（1962—），男，浙江新昌人，机械高级工程师，研究方向：机械材料与制造。