[科普中國]-碳氮共滲

工藝原理

碳氮共滲是以滲碳為主同時滲入氮的化學(xué)熱處理工藝。它在一定程度上克服了滲氮層硬度雖高但滲層較淺，而滲碳層雖硬化深度大，但表面硬度較低的缺點(diǎn)。

應(yīng)用較廣泛的只有氣體法和鹽浴法。氣體碳氮共滲介質(zhì)是滲碳劑和滲氮劑的混合氣，例如滴煤油(或乙醇、丙酮)、通氨；吸熱或放熱型氣體中酌加高碳勢富化氣并通氨；三乙醇胺或溶入尿素的醇連續(xù)滴注。[C]、[N]原子的產(chǎn)生機(jī)制除與滲碳、滲氮相同外，還有共滲劑之間的合成和分解：

CO+NH3===HCN+H2O

CH4+NH3===HCN+3H2

2HCN===2[C]+2[N]+H2

碳氮共滲并淬火、回火后的組織為含氮馬氏體、碳氮化合物和殘余奧氏體。深0.6～1.0mm的碳氮共滲層的強(qiáng)度、耐磨性與深1.0～1.5mm的滲碳層相當(dāng)。為減少變形，中等載荷齒輪等可用低于870℃的碳氮共滲代替930℃進(jìn)行的滲碳。

隨著稀土催滲(碳稀土共滲)和可部分取代淺層滲碳與碳氮共滲的氮碳共滲或硫氮碳共滲的推廣，碳氮共滲的應(yīng)用面有變窄趨勢。

碳氮共滲是在模具零件表層同時滲入碳、氮的熱處理過程。與單一滲 碳相比，碳氮共滲有許多特點(diǎn)，如碳氮共滲溫度較滲碳溫度低，因而滲碳 過程中奧氏體晶粒較細(xì)小，共滲后一般可直接淬火。因此簡化了生產(chǎn)工序， 節(jié)約了能源，并減少了模具零件的變形。

碳氮共滲的分類1)碳氮共滲根據(jù)使用介質(zhì)的物理狀況不同，可以分為氣體碳氮共滲， 液體碳氮共滲、固體碳氮共滲3類。

2)根據(jù)共滲溫度的不同，又可分為低溫 (500℃～600℃)，中溫 (700℃～800℃) 和高溫 (900℃～950℃) 碳氮共滲3種。其中低溫碳氮共 滲即目前廣泛應(yīng)用的軟氮化法，其表層主要以滲氮為主，用以提高模具零 件的表面耐磨性和抗咬合性; 中溫碳氮共滲，其目的與滲碳相似，主要是 提高模具零件的表面硬度，它與滲碳相比，將使零件具有更好的耐磨性和 抗疲勞性能; 高溫碳氮共滲，以滲碳為主。在我國熱處理廠家中以中溫氣 體碳氮共滲和低溫氮碳共滲應(yīng)用較廣。

中溫氣體碳氮共滲中溫氣體碳氮共滲的介質(zhì)實(shí)際上是滲碳和滲氮用的混合氣體。目前在 熱處理生產(chǎn)中常用的方法是在井式氣體滲碳爐中滴入煤油，使其熱分解出 滲碳?xì)怏w，同時向爐中通入氨氣。在共滲溫度下，煤氣與氨氣除了單獨(dú)進(jìn) 行滲碳和滲氮的作用外，它們相互之間還可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生活性碳、氮 原子。

此外，有的工廠采用滲碳富化氣 (甲烷、丙烷、城市煤氣等) 加氨、 三乙醇胺、丙酮加甲醇加尿素等作為共滲劑。

碳氮共滲溫度隨鋼種而異，一般在820℃～870℃范圍內(nèi)選擇。碳氮共 滲時間取決于滲層濃度、共滲溫度、共滲介質(zhì)及鋼的化學(xué)成分。2

低溫氮碳共滲氮碳共滲 (軟氮化) 是在含有活性碳、氮原子的介質(zhì)中同時滲入氮和 碳，并以滲氮為主的低溫碳氮共滲工藝。

1) 氣體軟氮化的工藝參數(shù)是軟氮化溫度和時間以及滲入介質(zhì)的活性和 加入量，同樣是根據(jù)模具的技術(shù)要求來選擇。目前，熱處理廠氣體軟氮化 的介質(zhì)主要是： 50%氨氣+50%吸熱型氣體。

2) 軟氮化的溫度通常為530℃～580℃，在570℃左右氮在α相中具有 最大溶解度。對于高速鋼和高鉻模具鋼，為保持工件的整體強(qiáng)度和紅硬性， 軟氮化溫度不能超過其回火溫度。

3) 軟氮化時間為1～6h范圍。軟氮化后的工件一般采用快冷 (油冷)。 快冷不僅使氮化件表面色澤好，而且能進(jìn)一步提高零件的疲勞強(qiáng)度。對變 形要求小的工件，軟氮化后應(yīng)當(dāng)緩冷。

4) 氮碳共滲賦予工件耐磨損、耐疲勞、抗咬合和擦傷的性能，以及處 理時間短、溫度低、變形小的特點(diǎn)，而且不受鋼種限制，適用于碳素鋼、 合金鋼、鑄鐵及粉末冶金等材料?，F(xiàn)已普遍地用于對模具、量具、刃具以 及耐磨零件進(jìn)行的化學(xué)熱處理，并獲得良好的效果。

碳氮共滲的主要特點(diǎn)1) 氣體碳氮共滲的力學(xué)性能兼顧于滲碳層和滲氮層的優(yōu)點(diǎn)。與滲碳層 相比表面硬度更高、耐磨性好，同時還具有一定的抗蝕性，以及由于共滲 層存在殘留壓應(yīng)力而提高了鋼的疲勞極限; 與滲氮相比，共滲層深度深， 表面脆性小。

2) 由于氮的滲入提高了滲層的淬透性，共滲后可用滲碳溫度較低及較 緩冷卻介質(zhì)淬火，減少了模具的變形，而且奧氏體晶粒比滲碳細(xì)，提高了 模具零件的心部韌性。

3) 氣體碳氮共滲速度大于單獨(dú)滲碳或單獨(dú)滲氮的速度，縮短了生產(chǎn) 周期。

4) 碳氮共滲適用于基體具有良好韌性，而表面硬度高、耐磨性好的模 具零件，如塑料模及沖裁模中的凸模及凹模等零件。

碳氮共滲工藝應(yīng)用實(shí)例鉬片精沖模氣體碳氮共滲工藝：

①精沖模具制造材料。8Cr2MnWMoVS (8Cr2S) 鋼。

②碳氮共滲工藝

a. (600℃～620℃)×1 min/mm鹽浴預(yù)熱。

b. (890℃～900℃)×0.5 min/mm鹽預(yù)加熱。

c. 450℃～500℃→220℃～250℃硝鹽分級淬火，硬度63～64 HRC。

d. (580℃～600℃)×2h回火，硬度46～48 HRC。

e.模具成形后，進(jìn)行氣體碳氮共滲，共滲劑為甲酰胺，催滲劑為稀土， 工藝為 (550℃～560℃)×4h。

冷彎機(jī)軋輥碳氮共滲工藝：

①冷彎機(jī)軋輥制造材料。材料為GCr15。

②冷彎機(jī)工作條件。工作中承受很大負(fù)荷，復(fù)雜的高變應(yīng)力，沖擊和 磨損作用。因此，在制造過程中，成形后，采用高濃度氣體碳氮共滲強(qiáng)化 工藝。

③工藝過程

a. 830℃×(3～4h) 進(jìn)行高濃度碳氮共滲，設(shè)備為FS77-1型滴控井式 爐，用KZW1052單片機(jī)控溫。共滲劑為煤油+氨氣。煤油滴量為8～ 12 mL/min，爐壓為0.1006～0.1010 MPa。

b.共滲后，直接淬油，油冷至180℃左右出油空冷?；鼗鹪赗JJ-65-6 型井式爐中進(jìn)行，180℃×2h×2次回火。

④共滲后組織。滲層為含氮馬氏體+碳氮化合物+合金氮化物+少量 殘留奧氏體。滲層碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)1.65%，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%左右。表面 硬度889 HV，共滲層厚度為0.5～0.7 mm。

3Cr2W8V(H21) 鋼制造照相機(jī)機(jī)身壓鑄模兩段氮碳共滲工藝：

①共滲設(shè)備及共滲劑。氮碳共滲可在JT-25型氣體滲碳爐中進(jìn)行，用 氨和乙醇作滲劑，以35gCaCl2為催滲劑，40gNH4Cl為潔凈劑。CaCl2和 NH4Cl需分別裝在兩個不銹鋼小盒內(nèi)，并在上覆蓋硅砂，然后置于滲氮 罐上。

②共滲工藝過程

a.模具裝爐前必須經(jīng)汽油、酒精清洗。

b.通氨排氣，升溫時間約20min。

c.按570℃×4h及600℃×2h分兩段共滲，通氨量皆為500～560L/h， 無水乙醇量約為50～60 d/min。

d.處理完畢后關(guān)閉乙醇，繼續(xù)按50～100L/h通氨，保持爐內(nèi)正壓 400～600 Pa。

e.滲后出爐可空冷或油冷，回火溫度為200℃。

f.氮碳共滲時要防止氯化銨 (NH4Cl)堵塞排氣口，影響爐壓。

4) 5CrNiMnMoVSCa(5NiSCa)鋼制造話機(jī)蓋壓鑄模氣體氮碳共滲。

a.預(yù)熱 (400℃～500℃)×2min/mm空氣爐預(yù)熱。

b.淬火 (800℃～900℃)×1 min/mm鹽浴加熱，淬火介質(zhì)為熱油。

c. 回火 575℃以下在硝鹽爐中回火; 高于600℃在氣體滲碳爐 (或井 式爐) 中回火。

d.共滲 550℃×(3～4h) 氣體氮碳共滲。