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碳氮共渗

向钢的表层同时渗入碳和氮的过程

向钢件表面同时渗入碳、氮的化学表面热处理工艺。以渗碳为主，渗入 少量氮。因碳氮共渗工艺早期采用过氰盐或含氰气氛作为渗剂，故又称“氰化”。按共渗介质状态分为气体、液体 及固体3类。固体和液体碳氮共渗已 很少使用。气体碳氮共渗法不用氰盐 ，容易控制表面质量，可实现机 械化、自动化，应用较广泛。与渗碳相 比，具有较快的渗入速度，较高的渗层 的淬透性和回火抗力，耐磨性和抗疲 劳性能好等优点，处理温度较低，常用来代替渗碳处理。

工艺原理
碳氮共渗是以渗碳为主同时渗入氮的化学热处理工艺。它在一定程度上克服了渗氮层硬度虽高但渗层较浅，而渗碳层虽硬化深度大，但表面硬度较低的缺点。
应用较广泛的只有气体法和盐浴法。气体碳氮共渗介质是渗碳剂和渗氮剂的混合气，例如滴煤油(或乙醇、丙酮)、通氨；吸热或放热型气体中酌加高碳势富化气并通氨；三乙醇胺或溶入尿素的醇连续滴注。[C]、[N]原子的产生机制除与渗碳、渗氮相同外，还有共渗剂之间的合成和分解：
CO+NH3===HCN+H2O
CH4+NH3===HCN+3H2
2HCN===2[C]+2[N]+H2
碳氮共渗并淬火、回火后的组织为含氮马氏体、碳氮化合物和残余奥氏体。深0.6～1.0mm的碳氮共渗层的强度、耐磨性与深1.0～1.5mm的渗碳层相当。为减少变形，中等载荷齿轮等可用低于870℃的碳氮共渗代替930℃进行的渗碳。
随着稀土催渗(碳稀土共渗)和可部分取代浅层渗碳与碳氮共渗的氮碳共渗或硫氮碳共渗的推广，碳氮共渗的应用面有变窄趋势。
碳氮共渗是在模具零件表层同时渗入碳、氮的热处理过程。与单一渗 碳相比，碳氮共渗有许多特点，如碳氮共渗温度较渗碳温度低，因而渗碳 过程中奥氏体晶粒较细小，共渗后一般可直接淬火。因此简化了生产工序， 节约了能源，并减少了模具零件的变形。
碳氮共渗的分类
1)碳氮共渗根据使用介质的物理状况不同，可以分为气体碳氮共渗， 液体碳氮共渗、固体碳氮共渗3类。
2)根据共渗温度的不同，又可分为低温 (500℃～600℃)，中温 (700℃～800℃) 和高温 (900℃～950℃) 碳氮共渗3种。其中低温碳氮共 渗即广泛应用的软氮化法，其表层主要以渗氮为主，用以提高模具零 件的表面耐磨性和抗咬合性; 中温碳氮共渗，其目的与渗碳相似，主要是 提高模具零件的表面硬度，它与渗碳相比，将使零件具有更好的耐磨性和 抗疲劳性能; 高温碳氮共渗，以渗碳为主。在国内热处理厂家中以中温气 体碳氮共渗和低温氮碳共渗应用较广。
中温气体碳氮共渗
中温气体碳氮共渗的介质实际上是渗碳和渗氮用的混合气体。在热处理生产中常用的方法是在井式气体渗碳炉中滴入煤油，使其热分解出 渗碳气体，同时向炉中通入氨气。在共渗温度下，煤气与氨气除了单独进 行渗碳和渗氮的作用外，它们相互之间还可发生化学反应产生活性碳、氮 原子。
此外，有的工厂采用渗碳富化气 (甲烷、丙烷、城市煤气等) 加氨、 三乙醇胺、丙酮加甲醇加尿素等作为共渗剂。
碳氮共渗温度随钢种而异，一般在820℃～870℃范围内选择。碳氮共 渗时间取决于渗层浓度、共渗温度、共渗介质及钢的化学成分。
低温氮碳共渗
氮碳共渗 (软氮化) 是在含有活性碳、氮原子的介质中同时渗入氮和 碳，并以渗氮为主的低温碳氮共渗工艺。
1) 气体软氮化的工艺参数是软氮化温度和时间以及渗入介质的活性和 加入量，同样是根据模具的技术要求来选择。热处理厂气体软氮化 的介质主要是： 50%氨气+50%吸热型气体。
2) 软氮化的温度通常为530℃～580℃，在570℃左右氮在α相中具有 最大溶解度。对于高速钢和高铬模具钢，为保持工件的整体强度和红硬性， 软氮化温度不能超过其回火温度。
3) 软氮化时间为1～6h范围。软氮化后的工件一般采用快冷 (油冷)。 快冷不仅使氮化件表面色泽好，而且能进一步提高零件的疲劳强度。对变 形要求小的工件，软氮化后应当缓冷。
4) 氮碳共渗赋予工件耐磨损、耐疲劳、抗咬合和擦伤的性能，以及处 理时间短、温度低、变形小的特点，而且不受钢种限制，适用于碳素钢、 合金钢、铸铁及粉末冶金等材料。现已普遍地用于对模具、量具、刃具以 及耐磨零件进行的化学热处理，并获得良好的效果。
碳氮共渗的主要特点
1) 气体碳氮共渗的力学性能兼顾于渗碳层和渗氮层的优点。与渗碳层 相比表面硬度更高、耐磨性好，同时还具有一定的抗蚀性，以及由于共渗 层存在残留压应力而提高了钢的疲劳极限; 与渗氮相比，共渗层深度深， 表面脆性小。
2) 由于氮的渗入提高了渗层的淬透性，共渗后可用渗碳温度较低及较 缓冷却介质淬火，减少了模具的变形，而且奥氏体晶粒比渗碳细，提高了 模具零件的心部韧性。
3) 气体碳氮共渗速度大于单独渗碳或单独渗氮的速度，缩短了生产 周期。
4) 碳氮共渗适用于基体具有良好韧性，而表面硬度高、耐磨性好的模 具零件，如塑料模及冲裁模中的凸模及凹模等零件。
碳氮共渗工艺应用实例
钼片精冲模气体碳氮共渗工艺：
①精冲模具制造材料。8Cr2MnWMoVS (8Cr2S) 钢。
②碳氮共渗工艺
a. (600℃～620℃)×1 min/mm盐浴预热。
b. (890℃～900℃)×0.5 min/mm盐预加热。
c. 450℃～500℃→220℃～250℃硝盐分级淬火，硬度63～64 HRC。
d. (580℃～600℃)×2h回火，硬度46～48 HRC。
e.模具成形后，进行气体碳氮共渗，共渗剂为甲酰胺，催渗剂为稀土， 工艺为 (550℃～560℃)×4h。
冷弯机轧辊碳氮共渗工艺：
①冷弯机轧辊制造材料。材料为GCr15。
②冷弯机工作条件。工作中承受很大负荷，复杂的高变应力，冲击和 磨损作用。因此，在制造过程中，成形后，采用高浓度气体碳氮共渗强化 工艺。
③工艺过程
a. 830℃×(3～4h) 进行高浓度碳氮共渗，设备为FS77-1型滴控井式 炉，用KZW1052单片机控温。共渗剂为煤油+氨气。煤油滴量为8～ 12 mL/min，炉压为0.1006～0.1010 MPa。
b.共渗后，直接淬油，油冷至180℃左右出油空冷。回火在RJJ-65-6 型井式炉中进行，180℃×2h×2次回火。
④共渗后组织。渗层为含氮马氏体+碳氮化合物+合金氮化物+少量 残留奥氏体。渗层碳质量分数达1.65%，氮质量分数为0.6%左右。表面 硬度889 HV，共渗层厚度为0.5～0.7 mm。
3Cr2W8V(H21) 钢制造照相机机身压铸模两段氮碳共渗工艺：
①共渗设备及共渗剂。氮碳共渗可在JT-25型气体渗碳炉中进行，用 氨和乙醇作渗剂，以35gCaCl2为催渗剂，40gNH4Cl为洁净剂。CaCl2和 NH4Cl需分别装在两个不锈钢小盒内，并在上覆盖硅砂，然后置于渗氮 罐上。
②共渗工艺过程
a.模具装炉前必须经汽油、酒精清洗。
b.通氨排气，升温时间约20min。
c.按570℃×4h及600℃×2h分两段共渗，通氨量皆为500～560L/h， 无水乙醇量约为50～60 d/min。
d.处理完毕后关闭乙醇，继续按50～100L/h通氨，保持炉内正压 400～600 Pa。
e.渗后出炉可空冷或油冷，回火温度为200℃。
f.氮碳共渗时要防止氯化铵 (NH4Cl)堵塞排气口，影响炉压。
4) 5CrNiMnMoVSCa(5NiSCa)钢制造话机盖压铸模气体氮碳共渗。
a.预热 (400℃～500℃)×2min/mm空气炉预热。
b.淬火 (800℃～900℃)×1 min/mm盐浴加热，淬火介质为热油。
c. 回火 575℃以下在硝盐炉中回火; 高于600℃在气体渗碳炉 (或井 式炉) 中回火。
d.共渗 550℃×(3～4h) 气体氮碳共渗。
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