碳氮共渗缺陷
碳氮共渗工艺造成齿轮失效的环节误区
2020年 第2期热加工12F失效分析ailure Analysis碳氮共渗工艺造成齿轮失效的环节误区饶命重庆高金实业有限公司 重庆 401122摘要：用一批齿轮失效案例说明在碳氮共渗的工艺过程中，由于齿轮无法满足使用要求，造成齿轮在服役过程中早期失效的工艺环节误区。
关键词：碳氮共渗；失效；环节；工艺1 序言齿轮常用的加工工艺为：低碳合金钢材料经模锻成形、正火、铣齿机加工、表面化学处理，最后齿面精加工完成。
齿轮在表面化学处理方式中，又多用碳氮共渗或渗碳淬火工艺。
2 碳氮共渗工艺（1）碳氮共渗相对于渗碳淬火的优点1）比渗碳淬火温度低，一般为820~860℃，齿变形小。
2）共渗温度低，马氏体针细小，不宜过热，可直接淬火。
3）外表干净光洁，表面不易形成炭黑。
4）相对于渗碳淬火具有更高的耐磨性和疲劳强度。
5）抗咬合性能更优。
（2）碳氮共渗相对于渗碳淬火的缺点1）由于有氮的渗入，大大降低齿轮材料的Ms 点，淬火后表层残留奥氏体较多，降低表层硬度及强度。
2）由于渗入温度低，相对于渗碳工艺时间更长，渗层浅，一般用于轻载荷齿轮[1]。
摩托车齿轮一般为小模数齿轮，渗层要求不超过1.00mm 。
因此，我公司研发的摩托车齿轮表层化学处理多选用碳氮共渗工艺。
3 失效问题分析我公司研发的E05变速箱进行台架耐久试验，6档主、从动齿轮出现过多次失效断裂，运行时间都在50h 左右。
表现形式为：大部分啮合齿面出现麻点及片状剥落，且其中一个齿在剥落处疲劳扩展断裂，如图1~图3所示。
该齿轮材料为20Cr2Ni4，最终热处理工艺为碳氮共渗处理。
齿轮麻点及片状剥落都属于接触应力疲劳范畴，产生的原因主要有以下几个因素：1）齿形齿向尺寸精度偏差、偏载、过载。
2）润滑不当。
A 图1 齿啮合面片状剥落宏观形貌图2 齿面缺陷处的微观形貌（100×）3）表面软基层（脱碳等）。
4）表层碳化物超标。
5）原材料不纯净，夹杂物较多。
E05变速箱进行了4次台架耐久试验。
渗碳缺陷产生原因及解决方法
渗碳缺陷产生原因及解决方法渗碳层出现大块状或网状碳化物缺陷产生原因：1．滴注式渗碳，滴量过大。
2．控制气氛渗碳，富化气太多。
3．液体渗碳，盐浴氰根含量过高。
4．渗碳层出炉空冷，冷速太慢。
对策：1．降低表面碳浓度，扩散期内减少滴量和适当提高扩散期湿度，也可适当减少渗碳期滴量。
2．减少固体渗碳的催碳剂。
3．减少液体渗碳的氰根含量。
4．夏天室温太高，渗后空冷件可吹风助冷。
5．提高淬火加热温度50~80ºC并适当延长保温时间。
6．两次淬火或正火+淬火，也可正火+高温回火，然后淬火回火。
渗层出现大量残余奥氏体缺陷产生原因：1．奥氏体较稳定，奥氏体中碳及合金元素的含量较高。
2．回火不及时，奥氏体热稳定化。
3．回火后冷却太慢。
对策：1．表面碳浓度不宜太高。
2．降低直接淬火或重新加热淬火温度，控制心部铁素体的级别≤3级。
3．低温回火后快冷。
4．可以重新加热淬火，冷处理，也可高温回火后重新淬火。
表面脱碳缺陷产生原因：1．气体渗碳后期，炉气碳势低。
2．固体渗碳后，冷却速度过慢。
3．渗碳后空冷时间过长。
4．在冷却井中无保护冷却。
5．空气炉加热淬火无保护气体。
6．盐浴炉加热淬火，盐浴脱氧不彻底。
对策：1．在碳势适宜的介质中补渗。
2．淬火后作喷丸处理。
3．磨削余量，较大件允许有一定脱碳层（≤0.02mm）。
渗碳层淬火后出现屈氏体组织（黑色组织）缺陷产生原因：渗碳介质中含氧量较高：氧扩散到晶界形成Cr、Mn、Si的氧化物，使合金元素贫化，使淬透性降低.对策：1．控制炉气介质成分，降低含氧量。
2．用喷丸可以进行补救。
3．提高淬火介质冷却能力。
心部铁素体过多，使硬度不足缺陷产生原因：1．淬火温度低。
2．重新加热淬火保温时间不足，淬火冷速不够。
3．心部有未溶铁素体。
4．心部有奥氏体分解产物。
对策：1．按正常工艺重新加热淬火。
2．适当提高淬火温度延长保温时间。
渗碳层深度不足缺陷产生原因：1．炉温低、保温时间短。
2．渗剂浓度低。
氮化处理的缺陷及原因分析
一、引言模具进行氮化处理可显著提髙模具表而的硬度、耐磨性、抗咬合性、抗腐蚀性能和抗疲劳性能。
由于渗氮温度较低，一般在500-650°C范用内进行，渗氮时模具芯部没有发生相变，因此模具渗氮后变形较小。
一般热作模具钢(凡回火温度在550-6509的合金工具钢)都可以在淬火、回火后在低于回火温度的温度区内进行渗氮；一般碳钢和低合金钢在制作塑料模时也可在调质后的回火温度下渗氮;一些特殊要求的冷作模具钢也可在氮化后再进行淬火、回火热处理。
实践证明，经氮化处理后的模具使用寿命显著提高，因此模具氮化处理已经在生产中得到广泛应用。
但是，由于工艺不正确或操作不当，往往适成模具渗氮硬度低、深度浅、硬度不均匀、表而有氧化色、渗氮层不致密、表而岀现网状和针状氮化物等缺陷，严重影响了模具使用寿命。
因此研究模具渗氮层缺陷、分析英产生的原因、探讨减少和防止渗氮缺陷产生的工艺措施，对提髙模具的产品质量，延长使用寿命具有十分重要的意义。
二、模具渗氮层硬度偏低模具渗氮表层硬度偏低将会降低模具的耐磨性能，大大减少渗氮模具的使用寿命。
模具渗氮层硬度偏低的原因(1)渗氮模具表层含氮量低。
这是由于渗氮时炉温偏高或者在渗氮第一阶段的氨分解率过高，即炉内氮气氛过低。
(2)模具预先热处理后基体硬度太低。
(3)渗氮炉密封不良、漏气或初用新的渗氮罐。
预防措施：适当降低渗氮温度，对控温仪表要经常校正，保持适当的渗氮温度。
模具装炉后应缓慢加热，在渗氮第一阶段应适当降低氨分解率。
渗氮炉要密封，对漏气的马弗罐应及时更换。
新渗氮罐要进行预渗氮，使炉内氨分解率达到平稳。
对因渗氮层含氮量较低的模具可进行一次补充渗氮，英渗氮工艺为：渗氮温度520°C ,渗氮时间8〜10h,氨分解率控制在20%-30%。
在模具预先热处理时要适当降低淬火后的回火温度，提高模具的基体硬度。
三、模具渗氮层浅模具渗氮层浅将会缩短模具硬化层耐贈寿命。
模具渗氮层偏浅的原因：(1)模具渗氮时间太短、渗氮温度偏低、渗氮炉有效加热区的温度分布不均匀、渗氮过程第一阶段氮浓度控制不当(氨分解率过高或过低)等。
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×。
碳氮共渗质量缺陷
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）.9 屈氏体网：产生原因：合金元素内氧化导致合金元素贫化，而降低淬透性；碳氮共渗时形成的碳氮化物降低了奥氏体中的碳氮含量，使奥氏体的稳定性降低，易形成屈氏体；碳氮化物和氧化物起到了非自发形核的作用，加速了奥氏体的分解；共渗温度偏低（低于钢材的A C3），炉气不足或活性差；某些淬透性低的钢会出现屈氏体。
20CrMnTi碳氮共渗组织性能分析与研究
其中，黑色组织是类似于渗碳淬火的晶界内氧化问题，形成机理也基本一样。但较渗碳工艺更容出现黑网，深度也较深；黑洞是光学显微镜下观察到的“黑洞”，本质上是空洞，空洞内可能光滑干净也可能有少量氧化物存在；黑带为空洞严重时连成一片，形成黑带；也可能是表面因为内氧化而形成较厚的非马组织浸蚀后表现为黑带。
This passage analysises and does research about metal surface and microhardness in different heating temperature and different holding time.Analysis of experimental results:liquid carbonitriding technology due to the infiltration of nitrogen,so reducing the critical point of steel,increased the permeation layer of the stability of supercooled austenite.Make the artifacts of poor hardenabilitycan get goodhardenability.Liquid carbonitridingiseasy to operate,at the same time,it can makethe metal surface hardness and wear resistance, etc. have improved significantly.
渗碳常见的五种缺陷和相应的防止方法
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
渗碳常见的五种缺陷和相应的防止方法
一、碳浓度过高
1、产生原因及危害：假如渗碳时急剧加热，温度又过高或固体渗碳时用全新渗碳剂，或用强烈的催渗剂过多都会引起渗碳浓度过高的现象。
随着碳浓度过高，工件表面出现块状粗大的碳化物或网状碳化物。
由于这种硬脆组织产生，使渗碳层的韧性急剧下降。
并且淬火时形成高碳马氏体，在磨削时容易出现磨削裂纹。
⒉防止的方法
①不能急剧加热，需采用适当的加热温度，不使钢的晶粒长大为好。
假如渗碳时晶粒粗大，则应在渗碳后正火或两次淬火处理来细化晶粒。
②严格控制炉温均匀性，不能波动过大，在反射炉中固体渗碳时需特别注意。
③固体渗碳时，渗碳剂要新、旧配比使用。
催渗剂最好采用47%的BaCO3，不使用Na2CO3 作催渗剂。
二、碳浓度过低
⒈产生的原因及危害：温度波动很大或催渗剂过少都会引起表面的碳浓度不足。
最理想的碳浓度为0.91.0%之间，低于0.8%C，零件容易磨损。
⒉防止的方法：
①渗碳温度通常采用920940℃，渗碳温度过低就会引起碳浓度过低，且延长渗碳时间;渗碳温度过高会引起晶粒粗大。
②催渗剂(BaCO3)的用量不应低于4%。
三、渗碳后表面局部贫碳：。
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。
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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M o、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）.
9 屈氏体网：产生原因：合金元素内氧化导致合金元素贫化，而降低淬透性；碳氮共渗时形成的碳氮化物降低了奥氏体中的碳氮含量，使奥氏体的稳定性降低，易形成屈氏体；碳氮化物和氧化物起到了非自发形核的作用，加速了奥氏体的分解；共渗温度偏低（低于钢材的A C3），炉气不足或活性差；某些淬透性低的钢会出现屈氏体。
危害：降低表面硬度和其他性能。
防止办法：增加炉子的密封性和炉气供给量，提高共渗温度，氨气要充分干燥，使用不含或少含氧化倾向的钢，在钢中加入强烈抑制珠光体转变的合金元素Mo,提高冷却速度，对已形成屈氏体网的工件要重新加热淬火。
10 疏松：抛光态可见小黑点和孔洞
产生原因:晶界氧化产生氧化物；共渗温度低，氨供给量大，使共渗层吸收了大量的氮，在以后冷却时，从晶格中析出形成氮气，而占据一定位置，随后又被石墨所占据；共渗初期，由于温度低，氨的活性大，形成的高氮ε相在温度升高、时间延长时不稳定，转变为低氮的化合物和分子氮。
危害：显著降低零件的表面硬度和疲劳性（表层存在0.08㎜的黑色组织，弯曲疲劳性降低50%,表层存在0.04~0.05㎜的黑色组织，接触疲劳性降低5/6.
防止办法：控制氨气加入量，表层氮浓度不能超过0.5%,
但又不能低于0.1%,否则易出现屈氏体网。
11 网状化合物：
产生原因:升温阶段供氨量太低，在晶界处，由于富碳，先形成了碳化物质点。
然后在高温增加供氨量时，碳氮化物以其为核心，沿晶界生成并连成网。
危害：工件表面脆性增加，降低弯曲疲劳强度，淬火时易形成表面裂纹。
防止办法：控制通氨量。
12 表面壳状化合物：
产生原因：共渗温度偏低，供氨量高，或正常温度下，共渗介质的碳氮浓度过高。
危害：性能脆，易剥落.大大降低工件的承载能力。
防止办法：提高共渗温度，控制碳氮浓度，对已形成壳状的工件应重新加热淬火。