钢的氮化及碳氮共渗讲解
专题三钢的化学热处理—-碳氮共渗讲解
专题三钢的化学热处理—－碳氮共渗工艺设计与操作一、实验目的1、初步掌握碳氮共渗工艺过程及主要工艺参数的制定2、初步掌握碳氮共渗的操作方法及化学热处理质量检测与控制方法二、实验原理1. 碳氮共渗工艺参数的制定⑴碳氮共渗温度的选择温度的升高、渗入速度显著加快。
在常用的碳氮共渗温度范围内，随着温度的升高，氮的表面层浓度越来越低，而且急剧下降，而碳的含量却逐渐提高，特别是碳原子的渗入深度大大提高，但是高温下碳原子扩散加速所以碳的浓度达到一定值后又降低。
碳氮共渗温度较低时表面易形成脆性的高氮低碳化合物ε相，温度升高时可获得含氮渗碳体。
另外，由于氮的作用及氮碳的共同作用，碳氮共渗后的残余奥氏体量比渗碳时多且与共渗温度有关，温度的提高残余奥氏体在渗层中的分布加深，而其数量随温度的升高先是降低而后又随温度的升高而增加。
因此，在选择碳氮共渗温度时应该遵循的原则是：①尽可能提高渗速；②尽可能使渗层中保存一定的氮量；③尽可能使渗层中减少化合物层的出现；④尽可能使渗层在淬火后残余奥氏体量调整到一定值；⑤尽可能减少零件的变形。
综合各种因素，通常碳氮共渗温度在820～870℃之间。
⑵碳氮共渗时间的选择碳氮共渗工艺时间的长短主要决定于所要求的共渗层深度、共渗温度和钢种，此外共渗剂的成分和流量以及装炉量等也都有一定的影响。
共渗层深度与共渗时间的关系可以用下式表示：X=Kτ式中：X为共渗层深度（mm），τ为共渗时间（h）, K为共渗系数。
其中共渗系数与共渗温度、共渗介质和钢种有关，可通过实验测得。
表2列出了常用钢种的K值。
通常在较低的温度下碳氮共渗时，表面硬度随时间的延长而迅速增加；但当共渗时间继续延长时表面硬度不再增加。
而在较高的温度下碳氮共渗时，表面硬度值所对应的时间是2～3小时，如时间继续延长，表面硬度反而有下降的趋势。
表2 常用钢种的K值⑶碳氮共渗炉内气氛的控制气体碳氮共渗以渗碳为主；共渗剂通常由滴入液体渗碳剂和通入氨气，液体渗碳剂通常取丙酮或煤油和稀释剂甲醇。
碳氮共渗热处理工艺
碳氮共渗热处理工艺碳氮共渗热处理工艺是一种常用的表面强化技术，它可以提高金属材料的硬度、耐磨性、抗腐蚀性和疲劳寿命等性能。
本文将从碳氮共渗的原理、工艺流程、影响因素和应用前景等方面进行介绍。
一、碳氮共渗的原理碳氮共渗是指在高温下将碳和氮同时渗入金属表面，形成碳氮化合物层。
这种层具有高硬度、高耐磨性、高抗腐蚀性和高疲劳寿命等优良性能。
碳氮化合物层的形成是由于碳和氮在金属表面的相互作用，形成了一系列的化合物，如Fe3C、Fe4N、Fe2-3(C,N)等。
这些化合物的硬度和稳定性都比金属基体高，因此可以提高金属材料的表面性能。
二、碳氮共渗的工艺流程碳氮共渗的工艺流程主要包括预处理、渗透、淬火和后处理等步骤。
1.预处理：将金属材料进行表面清洗和去油处理，以保证渗透剂能够充分渗透到金属表面。
2.渗透：将金属材料放入渗透炉中，在高温下进行碳氮共渗处理。
渗透剂一般采用氨气和甲烷的混合物，温度一般在800℃-950℃之间，时间一般在2-8小时之间。
3.淬火：将渗透后的金属材料迅速冷却，以保证碳氮化合物层的稳定性和硬度。
4.后处理：对淬火后的金属材料进行退火处理，以消除残余应力和提高材料的韧性。
三、碳氮共渗的影响因素碳氮共渗的效果受到多种因素的影响，如温度、时间、渗透剂成分、金属材料成分和表面状态等。
1.温度：温度是影响碳氮共渗效果的重要因素。
温度过低会导致渗透剂无法充分渗透到金属表面，温度过高会导致碳氮化合物层的过度生长和烧结。
2.时间：时间是影响碳氮共渗效果的另一个重要因素。
时间过短会导致碳氮化合物层的厚度不足，时间过长会导致碳氮化合物层的过度生长和烧结。
3.渗透剂成分：渗透剂成分对碳氮共渗效果也有很大的影响。
不同的渗透剂成分会导致不同的化合物生成，从而影响碳氮化合物层的性能。
4.金属材料成分和表面状态：金属材料的成分和表面状态也会影响碳氮共渗效果。
不同的金属材料对渗透剂的反应不同，表面状态的不同也会影响渗透剂的渗透性能。
金相检验-氮碳共渗层金相检验
7-9 钢的氮碳共渗层金相检验
钢的氮碳共渗也称为低温氮碳共渗，又称软氮化，是以渗氮为主，同时有微量渗碳的表面处理过程。
工作温度范围和渗氮相同，但由于碳的介入，可以加快氮化的过程，所以一般软氮化的渗速比气体氮化要快。
一、氮碳共渗的组织及检验
氮碳共渗后的组织和气体渗氮相似，为表面白色化合物层+扩散层，但表面多相化合物层中无高脆性相，故共渗层韧性较好，也因此称为软氮化。
软氮化层表面常有黑点状疏松，一般认为是氮分子析出或氧化而形成的化合物疏松。
疏松会一定程度影响工件耐磨性和疲劳强度，因此应进行疏松程度评定。
均匀、少量的疏松有利于表面存油润滑，起到好的作用。
软氮化深度测定和疏松程度评定，依照GB/T 11354—2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相检验》。
二、氮碳共渗的缺陷组织实例
图7-17是15钢气体氮碳共渗表面严重疏松的例子，疏松同时还有分层现象，疏松程度按标准评定属于不合格级别。
在图中还可看到显微硬度压痕，第一点是疏松区为388HV；第二点白色化合物区为604HV；第三点扩散层为345HV；第四点扩散层为329HV；心部基体为215HV。
由于渗层表面存在严重疏松孔隙，致使表面硬度明显下降，在使用过程中容易起皮、脱落，使工件发生早期损坏。
图7-17 表面严重疏松空隙500×。
碳氮共渗浅析
碳氮共渗与氮碳共渗其实没有什么区别，热处理一般的都通称为碳氮共渗。
只是碳氮共渗又分为：1.高温碳氮共渗，以渗碳为主，加热到奥氏体化，渗层深。
2.中温碳氮共渗，以渗碳为主，加热到奥氏体化，但温度比高温碳氮共渗低，渗层较浅，又叫氰化
3.低温碳氮共渗，以渗氮为主，加热到共析线以下，组织不发生相变，变形很小，又叫软氮化。
但我认为如果在0.5mm以内时，一次离子渗就可以达到，可以根据零件实际需要对渗层深度进行修正，这样即可以节约成本又可以满足使用需要。
碳氮共渗（carbonitrided）与氮碳共渗（nitrocarburized）的区别：
1、 碳氮共渗carbonitriding ：在奥氏体状态下，同时将碳、氮渗入钢件表层，并渗碳为主的化学热处理工艺。
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。
4.碳氮共渗热处理的工艺温度低,一般淬火后的变形也小.
影视版主 2009-03-03 06:48
渗碳与碳氮共渗是有区别的:
渗碳一般都用880~940度,而碳氮共渗使用的温度比较低,一般在800~860度.
ummvixf 2009-03-03 06:49
2楼的说的不完全,对一些有安全要求的产品来说,选择渗碳更好点.其实两种工艺各有各的优点,具体要根据零件的服役条件及性能要求而选择.
钢的渗碳和渗氮
钢的渗碳---就是将低碳钢在具有丰富碳的介质中加热到高温(一般为900--950C),使活性碳原子渗入钢的表面,以获得高碳的渗层组织。
随后经淬火和低温回火,使表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力,而心部仍保持足够的强度和韧性。
渗碳钢的化学成分特点:(1)渗碳钢的含碳量一般都在0.15--0.25％范围内,对于重载的渗碳体,可以提高到0.25--0.30％,以使心部在淬火及低温回火后仍具有足够的塑性和韧性。
但含碳量不能太低,否则就不能保证一定的强度。
(2)合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性,细化晶粒,强化固溶体,影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织。
在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等。
常用渗碳钢可以分碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类。
(1)碳素渗碳钢中,用得最多的是15和20钢,它们经渗碳和热处理后表面硬度可达56--62HRC。
但由于淬透性较低,只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件,如轴套、链条等。
(2)低合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高,可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件,如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等。
(3)中合金渗碳钢如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和较高的强度及韧性,主要用以制造截面较大、承载较重、受力复杂的零件,如航空发动机的齿轮、轴等。
固体渗碳;液体渗碳;气体渗碳---渗碳温度为900--950C,表面层w(碳)为0.8--1.2％,层深为0.5--2.0mm。
渗碳后的热处理---渗碳工件实际上应看作是由一种表面与中心含量相差悬殊码复合材料。
渗碳只能改变工件表面的含碳量,而其表面以及心部的最终强化则必须经过适当的热处理才能实现。
渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火。
淬火的目的是使在表面形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织。
低温回火温度为150--200C 。
渗碳渗氮作用及氮碳共渗及碳氮共渗区别
渗碳：是对金属表面办理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，详尽方法是将工件置入拥有活性渗碳介质中,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浸透钢件表层,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办理。
这是金属资料常有的一种热办理工艺，它能够使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。
渗碳是指派碳原子浸透到钢表面层的过程。
也是使低碳钢的工件拥有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层拥有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分依旧保持着低碳钢的韧性和塑性。
渗碳工件的资料一般为低碳钢或低碳合金钢 (含碳量小于%)。
渗碳后﹐钢件表面的化学成分可凑近高碳钢。
工件渗碳后还要经过淬火﹐以获得高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲倦强度﹐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。
渗碳零件的资料一般采用低碳钢或低碳合金钢(含碳量小於%)。
渗碳后必定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节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﹐但应防范出现铁素体。
一般渗碳层深度范围为～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﹐对提高工件的疲倦强度有利。
所以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。
按含碳介质的不同样﹐渗碳可分为固体渗碳﹑液体渗碳﹑气体渗碳和碳氮共渗；渗氮，是在必然温度下必然介质中使氮原子浸透工件表层的化学热办理工艺。
常有有液体渗氮、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，并扩散浸透工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优异的表面性能。
碳氮共渗
钢的碳氮共渗（第一讲）碳氮共渗是碳氮原子同时渗入工件表面的一种化学热处理工艺。
最早，碳氮共渗是在含氰根的盐浴中进行的，故此又称氰化。
渗碳与渗氮相结合的的工艺，具有如下特点：1．氮的渗入降低了钢的临界点。
氮是扩大γ相区的合金元素，降低了渗层的相变温度A1与A3，碳氮共渗可以在比较低的温度进行，温度不易过热，便于直接淬火，淬火变形小，热处理设备的寿命长。
2．氮的渗入增加了共渗层过冷奥氏体的稳定性，降低了临界淬火速度。
采用比渗碳淬火缓和的冷却方式就足以形成马氏体，减少了变形开裂的倾向，淬透性差的钢制成的零件也能得到足够的淬火硬度。
3．碳氮同时渗入，加大了它的扩散系数。
840~860℃共渗时，碳在奥氏体中的扩散速度几乎等于或大于930℃渗碳时的扩散速度。
共渗层比渗碳具有较高的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度；比渗氮零件具有较高的抗压强度和较低的表面脆性。
按使用介质不同，碳氮共渗分为固体、液体、气体三种。
固体碳氮共渗与固体渗碳相似，经常采用30~40％黄血盐，10％碳酸铵和50~60％木炭为渗剂。
这种方法的生产效率低，劳动条件差，目前很少使用。
液体碳氮共渗以氰盐为原料，历史悠久，质量容易控制，但氰盐有剧毒，且价格昂贵，使用受到限制。
气体碳氮共渗的发展最快。
按共渗温度，碳氮共渗一般分为低温（500~560℃）、中温（780~850℃）和高温~880~950℃）三种。
前者以渗氮为主，现在已定义为氮碳共渗，后两者以渗碳为主。
习惯上所说的碳氮共渗，主要指中温气体氮碳共渗。
碳氮共渗零件的机械性能同渗层表面的碳氮浓度、渗层深度与浓度梯度有关。
共渗层的碳氮浓度必须严格控制，含量过低，不能获得高的强度、硬度与理想的残余应力，影响耐磨性与疲劳强度。
反之，则不仅表层出现大量不均匀的块状碳氮化合物，脆性增加；而且会使淬火后残余奥氏体量剧增，影响表面硬度和疲劳强度。
一般推荐最佳的碳、氮浓度分别为0.70~0.95％C和0.25~0.40％N。
热处理知识——渗碳和渗氮
热处理知识——渗碳与渗氮热处理在机械制造业中占有举足轻重的作用，作为机械从业人员，自身要具备较为全面的热处理知识，这对于我们的日常工作尤为重要。
首先我们先简要介绍热处理的目的及分类，本文重点掌握渗碳和渗氮这两种方式。
.热处理的目的：消除毛坯(如铸件/锻件)中的组织缺陷，消除半成品或焊接件残余应力，改善零部件工艺性能，最主要的是热处理能够提高材料的力学性能，满足其在各种应用场合的功能和寿命要求。
热处理的分类：常用的热处理可分为如下三大类:1、普通热处理（正火、退火、淬火、回火。
也就是我们常说的“四把火”）2、表面淬火（感应淬火、火焰淬火、激光淬火）3、化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗）对于热处理，大家可以这样来简化描述：都是由加热、保温、冷却三个阶段组成。
不同热处理方法区别就在于这三个阶段，加热方式，加热温度或者加热的速度不同；保温方式，保温环境或者保温时间不同等；冷却的速度及冷却的环境不同等。
进入正文，主要介绍渗碳和渗氮渗碳定义：把零部件置于渗碳介质中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间，使碳原子渗入钢表层的化学热处理工艺。
目的：使零件表面具有高硬度、耐磨及疲劳极限，心部具有较高的强度和韧性。
常用钢种：含碳量0.1%-0.25%的碳钢或合金（即低碳钢和低碳合金钢）渗碳方法：常用的气体渗碳法：工件置于密闭的加热炉中，滴入煤油、丙酮、甲苯等在高温（900-950°C）下分解出CO、CO2、CH4等，气体再分解出活性碳原子，随后活性碳原子溶于高温奥氏体中，随着时间进行，碳原子逐渐向内扩散，深度主要取决于保温时间，可大约按0.2mm/h的速度近似计算。
关键技术点：1）表面含碳量最好在0.85%-1.05%内，若含碳量过低，淬火、低温回火后得到的回火马氏体，含碳量较低，硬度低，耐磨性差。
2）在一定的渗碳层深度范围内，随渗碳层深度的增加，疲劳极限、抗弯强度及耐磨性都将增加，但渗碳层深度超过一定限度后，疲劳极限反随着渗碳层深度的增加而降低。
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钢的氮化及碳氮共渗
钢的氮化（气体氮化）
概念：氮化是向钢的表面层渗入氮原子的过程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。
它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被钢吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散。
氮化通常利用专门设备或井式渗碳炉来进行。
适用于各种高速传动精密齿轮、机床主轴（如镗杆、磨床主轴），高速柴油机曲轴、阀门等。
氮化工件工艺路线：锻造－退火－粗加工－调质－精加工－除应力－粗磨－氮化－精磨或研磨。
由于氮化层薄，并且较脆，因此要求有较高强度的心部组织，所以要先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量。
钢在氮化后，不再需要进行淬火便具有很高的表面硬度大于HV850）及耐磨性。
氮化处理温度低，变形很小，它与渗碳、感应表面淬火相比，变形小得多钢的碳氮共渗：碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程，习惯上碳氮共渗又称作氰化。
目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氮化）应用较是广。
中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度，低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。