碳氮共渗和渗碳

渗碳：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中,加热到900--950摄氏度的单相奥氏体区,保温足够时间后,使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层,从而获得表层高碳,心部仍保持原有成分. 相似的还有低温渗氮处理。这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。

渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。

渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。

渗碳零件的材料 一般选用低碳钢或低碳合金钢(含碳量小於0.25%)。渗碳后必须进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物﹐心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织﹐但应避免出现铁素体。一般渗碳层深度范围为0.8～1.2毫米﹐深度渗碳时可达2毫米或更深。表面硬度可达HRC58～63﹐心部硬度为HRC30～42。渗碳淬火后﹐工件表面产生压缩内应力﹐对提高工件的疲劳强度有利。因此渗碳被广泛用以提高零件强度﹑冲击韧性和耐磨性﹐借以延长零件的使用寿命。

按含碳介质的不同﹐渗碳可分为固体渗碳﹑液体渗碳﹑气体渗碳和碳氮共渗；

渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。常用的是气体渗氮和离子渗氮。

渗氮 渗碳 碳氮共渗

碳氮共渗是一种常见的表面处理技术，通过渗碳和渗氮来改善材料的硬度和耐磨性。本文将对渗氮、渗碳和碳氮共渗的原理、应用和工艺进行详细介绍。

一、渗氮

渗氮是将氮原子渗入材料表面形成氮化物层的过程。氮原子通过高温处理和氮气氛的作用，渗透到材料表面并与材料中的元素反应，形成硬质氮化物层。这一薄层氮化物层不仅能提高材料的硬度和抗磨损性能，还能改善材料的耐腐蚀性。

渗氮的主要应用领域包括机械制造、汽车工业、航空航天等。在机械制造中，渗氮可以增加零件的硬度和耐磨性，延长使用寿命；在汽车工业中，渗氮可以提高引擎零件的耐磨性和抗腐蚀性能；在航空航天领域，渗氮可以增强航空发动机部件的耐高温和耐磨性能。

渗氮的工艺流程一般包括清洗件表面、装配件和炉内预处理、渗氮和回火处理等步骤。渗氮一般采用封闭式和开放式两种方式进行，根据具体应用需求可以选择合适的渗氮工艺。

二、渗碳

渗碳是将碳原子渗入材料表面形成碳化物层的过程。碳原子通过高温处理和含有碳气体的氛围，渗透到材料表面并在表面与材料中的元素反应，形成硬质碳化物层。渗碳技术不仅能提升材料的硬度和耐磨性，还可以改善材料的断裂韧性和抗腐蚀性。 渗碳广泛应用于机械零件、钢铁制品等领域。渗碳后的材料表面硬度高、耐磨性好，适用于制作耐磨零件，如轴承、齿轮等；同时碳化层的外表面与空气隔绝，降低了材料的腐蚀速率，提高了零件的使用寿命。

渗碳的工艺流程包括预处理、渗碳、淬火和回火等。渗碳一般采用气体渗碳和液体渗碳两种方式进行，具体工艺参数可以根据材料的要求进行选择。

三、碳氮共渗

碳氮共渗是将碳原子和氮原子同时渗入材料表面形成碳氮共渗层的过程。碳氮共渗通过碳氮共渗剂和高温处理，使碳原子和氮原子分别与材料中的元素发生反应，形成硬质碳氮化物层。碳氮共渗能够同时获得渗碳和渗氮的特性，提高材料的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。

碳氮共渗广泛应用于汽车工业、航空航天等领域。在汽车工业中，碳氮共渗可以提高零部件的硬度和耐磨性，同时还可以提高零部件的抗磨损能力和抗腐蚀性；在航空航天领域，碳氮共渗可以增强发动机部件的抗高温性能和抗腐蚀能力。

广义的碳氮共渗可以分为碳氮共渗和氮碳共渗，氮碳共渗以渗氮为主，即低温碳氮共渗；碳氮共渗以渗碳为主，有中高温碳氮共渗。

渗碳:渗碳后的工件经淬火和低温回火，使表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持良好的塑性和韧性，从而满足工件外硬内韧的使用要求。

渗氮：零件渗氮后表面形成一层氮化物，不需要淬火就可以具有高的硬度、耐磨性、抗疲劳性和一定的腐蚀性，而且变形也很小。

碳氮共渗：又称氰化。碳氮共渗是将钢件表面同时渗入碳原子和氮原子，形成碳氮共渗层，以提高工件的硬度、耐磨性和疲劳强度的处理方法。

等离子氮化由于其温度低、渗氮周期短（温度为500-520℃，时间为12至15小时）组织由ε相、γ相组成，基本不含有脆性ξ相，从而使热应力和组织应力大为降低，变形量小，不易开裂，可作为最终工序。

气体渗氮温度一般为500~560℃,时间一般为30至50小时,采用氨气(NH3) 作渗氮介质，可以看出温度虽然不高，但时间很长，其热应力就大。组织由ε相、γ相组成，处理不好时有脆性ξ相。

气体软氮化（碳氮共渗）温度常用560-570℃，因该温度下氮化层硬度值最高。氮化时间常为2-3小时，因为超过2.5小时，随时间延长，氮化层深度增加很慢。

可以看出碳氮共渗的温度最高，其组织由ε相、γ相和含氮的渗碳体Fe3（C，N）所组成，所以热应力和组织应力都较前两者大，再者渗层薄，所以不能承受重载。但这种处理也有优点，由于软氮化层不存在脆性ξ相，故氮化层硬而具有一定的韧性，不容易剥落。

三者比较而言以等离子效果最佳，气体渗氮次之，碳氮共渗最差。

碳氮共渗质量缺陷

1 渗层不均：

产生原因：炉温不均，工件表面局部有炭黑或结焦。排气不充分，工件表面不清洁，气体炉内循环不畅。

危害：表面硬度低，性能不均匀，工件淬回火易变形和开裂。

防止办法：补渗

2 渗层过浅：

产生原因：炉温偏低，共渗时间不足。渗剂供给量不足，炉气碳势低及排气不畅。

危害：硬度、强度、抗疲劳性下降。

防止办法：补渗

3网状或堆积状碳化物：

产生原因：炉气碳势过高，或预冷温度过低。

危害：表面应力大，脆性大，易开裂。

防止办法：减少渗剂供给量，延长扩散时间和提高预冷温度。

4渗层残余奥氏体过多：

产生原因：炉气碳势过高，预冷温度高。

危害：降低表面硬度易变形和开裂。

防止办法：减少渗剂供给量，延长扩散时间和降低预冷温度。重新加热淬火或深冷处理。

5 心部铁素体过多：

产生原因：预冷温度过低，或一次淬火加热温度远低于心部的临界点。

危害：心部硬度不够，强度降低，使心部不能支持受力大的表面。

防止办法：提高预冷和淬火温度。

6 黑色组织：钢中的合金元素发生内氧化，而导致淬透性下降，且氧化物质点又可作为相变的核心，使过冷奥氏体不稳定而发生分解生成黑色组织屈氏体、贝氏体等。

危害：降低表面的硬度、耐磨性和疲劳强度。 防止办法：减少炉内氧化性气氛（O2、CO2、H2O）

改善炉子的密封性，排气充分，提高淬火冷却速度，采用对内氧化敏感度小的钢（如含Mo、W、Ni的钢）

喷丸处理。

7 黑色孔洞：（只在碳氮共渗和氮碳共渗中出现）

产生原因：氮介质的供给量较高，共渗温度过低。

危害：降低表面硬度和耐磨性

防止办法：控制共渗层的氮含量，使其小于0.5%.

8 畸变：

产生原因：热应力。变形随表面碳氮浓度的增加和渗层深度的增加而变严重。

危害：增加校正工序，畸变严重时，工件报废。

防止办法：装料方法要合理。所用的渗碳吊具、料盘的形状、结构等应避免工件因加热和冷却不均而引起畸变；重新加热淬火的渗碳件应降低淬火加热温度；采用热油淬火；金属锻造流线要与渗碳工件外轮廓相似，严格控制正火后的带状组织和魏氏组织；采用压床淬火（大型盘状齿轮和齿圈）.