碳氮共滲初探

摘 要：首先對(duì)碳氮共滲的概念、現(xiàn)狀、發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，然后對(duì)碳氮共滲工藝，尤其是廣泛應(yīng)用的中溫氣體碳氮共滲進(jìn)行較詳盡的分析，接著對(duì)碳氮共滲的缺陷產(chǎn)生、預(yù)防、質(zhì)量控制等進(jìn)行論述和研究，最后展望了碳氮共滲的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：碳氮共滲;工藝分析;質(zhì)量控制

0 引言

筆者于20世紀(jì)80年代初畢業(yè)于工科院校的熱處理專業(yè)，后被分配到某市熱處理中心，有較長(zhǎng)時(shí)間從事熱處理生產(chǎn)和研究的經(jīng)歷，接觸的熱處理零件種類較多，范圍較廣，尤其對(duì)氮化、滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理有較深入的研究。本文主要結(jié)合筆者的實(shí)際工作經(jīng)歷，對(duì)碳氮共滲，尤其是氣體碳氮共滲進(jìn)行了初步總結(jié)，希望與廣大同行互相學(xué)習(xí)、共同探討。

1 碳氮共滲概述

1.1? ? 碳氮共滲定義

所謂“碳氮共滲”，就是在滲碳和滲氮基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種化學(xué)熱處理工藝，即向鋼制零件表層同時(shí)滲入碳原子和氮原子的過(guò)程，其主要目的是改變鋼制機(jī)械零件的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗咬合性等。

1.2? ? 碳氮共滲的方法和分類

（1）按滲劑不同，碳氮共滲可分為固體碳氮共滲（常采用黃血鹽、碳酸銨、木碳等滲劑）、液體碳氮共滲（以氰鹽為主要原料）和氣體碳氮共滲（以氨氣、煤油、苯、丙烷、三乙醇胺為主要原料）。（2）按共滲溫度不同，碳氮共滲可分為低溫碳氮共滲（520～580 ℃）、中溫碳氮共滲（780～880 ℃）和高溫碳氮共滲（880～930 ℃）。低溫碳氮共滲也稱軟氮化，中高溫碳氮共滲俗稱氰化。

1.3? ? 碳氮共滲的化學(xué)機(jī)理

以應(yīng)用較廣的氣體碳氮共滲——采用丙烷富化的吸熱式氣體作為滲劑的化學(xué)反應(yīng)為例：

CH4+NH3→HCN+3H2? ? ? CO+NH3→HCN+H2O

新生成的氰氫酸（HCN）在工件表面分解產(chǎn)生活性原子：

HCN→H2+2[C]+2[N]

活性碳氮原子被零件表面吸收，形成共滲表層，從而改變金屬零件表層的成分，通過(guò)隨后的淬火等處理，可以達(dá)到改善零件機(jī)械性能的目的。

2 氣體碳氮共滲工藝分析

根據(jù)鋼種、零件大小形狀、機(jī)械性能要求等的不同，適時(shí)選擇、調(diào)整共滲劑種類、流量、共滲溫度、共滲時(shí)間、后續(xù)熱處理方法等，以期達(dá)到最佳的工藝參數(shù)組合，使處理后的零件獲得合適的機(jī)械性能是本文研究的主要目的。

2.1? ? 共滲介質(zhì)

目前氣體碳氮共滲常用的滲劑主要有兩大類：一類是2%～10%的氨氣加滲碳?xì)怏w，另一類是含碳氮的有機(jī)溶液，常用的有三乙醇胺及三乙醇胺中溶入20%左右的尿素。共滲介質(zhì)中氨量增加，可以使?jié)B透層中氮量提高，碳量降低，應(yīng)根據(jù)鋼種、滲層組織性能要求及共滲溫度確定氨氣比例。圖1為滲碳?xì)夥罩邪奔尤肓繉?duì)爐氣碳勢(shì)、氮?jiǎng)莸挠绊憽?/p>

2.2? ? 共滲溫度

共滲溫度直接影響到介質(zhì)的活性、碳氮原子的形成及其在工件表面的擴(kuò)散速度，溫度過(guò)高，碳的滲速加快，但氮化滲速反而降低，且工件變形將會(huì)增大。根據(jù)鋼種和使用性能要求，共滲溫度常選在820～880 ℃。

2.3? ? 共滲時(shí)間

共滲時(shí)間根據(jù)滲層深度要求而定，實(shí)驗(yàn)證明，滲層深度（mm）與時(shí)間的關(guān)系符合拋物線規(guī)律：

X=K

式中：t為共滲保溫時(shí)間（h）;K為常數(shù)（不同鋼種、不同共滲溫度的K值不同，但存在規(guī)律可循）。

此外，滲劑的成分和流量、工件的裝爐量等因素對(duì)共滲時(shí)間也存在一定影響，實(shí)踐中，要綜合考慮多種因素而定。

3 氣體碳氮共滲層的組織、性能、缺陷及質(zhì)量控制

3.1? ? 共滲層的組織及性能

碳氮共滲工件，一般共滲后都采用直接淬火加回火的工藝，所以在此只討論淬回火后的組織及性能。此共滲層的組織，取決于滲層中碳/氮濃度、鋼種及共滲溫度等因素，共滲件直接淬火、回火后，其表面基體組織與形態(tài)均為含氮馬氏體及殘余奧氏體。值得提出的是，當(dāng)共滲碳氮濃度稍高時(shí)，最終的基體馬氏體中還會(huì)出現(xiàn)一定濃度的含碳氮化合物的富集區(qū)，這對(duì)于碳氮共滲件來(lái)說(shuō)是良好的組織，對(duì)提高零件的耐磨性、抗腐蝕性都大有裨益。

3.2? ? 碳氮共滲的缺陷及質(zhì)量控制

3.2.1? ? 碳氮共滲層組織及深度測(cè)量

由于碳氮共滲層都比較淺，一般在0.02～0.5 mm，因此其深度的計(jì)算是由表面一直到心部分界線為止。

碳氮共滲淬火后，表層含氮馬氏體一般僅占0.03 mm，分界線較清晰，容易測(cè)量。過(guò)渡層及心部組織根據(jù)共滲處理工藝不同而有所變化，會(huì)出現(xiàn)碳氮化合物、殘余奧氏體、屈氏體及鐵素體，但界限較分明，在100倍顯微鏡下，很容易區(qū)分和測(cè)量。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 2639）規(guī)定，碳氮共滲大于0.3 mm深度的有效硬化層深度是由表面測(cè)到HV550為止。

3.2.2? ? 碳氮共滲的缺陷

常見(jiàn)的缺陷有表面脫碳、脫氮，出現(xiàn)非馬氏體組織，心部鐵素體過(guò)多，滲層濃度不夠或不均勻，表面硬度低等。此外，還有一些與氮的滲入有關(guān)的組織缺陷，如粗大碳氮化合物、黑色組織等。

3.2.3? ? 碳氮共滲的質(zhì)量控制

碳氮共滲最重要的缺陷是黑色組織，即黑點(diǎn)、黑網(wǎng)、黑帶，俗稱“三黑”。黑色組織對(duì)零件的使用性能影響極大，表層存在0.08 mm的黑色組織，就能使齒輪類零件的彎曲疲勞性能降低50%，0.04～0.05 mm的黑色組織可使接觸疲勞性能降低80%～90%，特別是黑色組織以帶狀和網(wǎng)狀形態(tài)存在時(shí)，將嚴(yán)重影響零件的硬度、疲勞強(qiáng)度，極大地縮短零件的使用壽命。黑色組織的成因有多種，多是由內(nèi)氧化或石墨夾雜物的析出引起。一般認(rèn)為，采用吸熱式氣體加富化氣和氨進(jìn)行碳氮共滲時(shí)，更容易出現(xiàn)黑色組織。特別是前期，氨的供應(yīng)量越大，越容易出現(xiàn)黑色組織。

適當(dāng)提高共滲溫度，采用干燥氨氣，降低氣氛中的CO2、O2和H2O含量，均能有效減少合金元素的內(nèi)氧化現(xiàn)象，從而減少黑色組織的產(chǎn)生。加速冷卻，選擇合適的淬火油，可以抑制奧氏體向非馬氏體轉(zhuǎn)變，也可以減少黑色組織的數(shù)量。此外，采用含Mo、Ni等氧化傾向較小的共滲鋼種，也有助于抑制黑色組織的形成。因?yàn)檫@些元素能顯著提高鋼的淬透性，大大推遲珠光體的轉(zhuǎn)變時(shí)間，有利于表層馬氏體的形成。其他的共滲件缺陷，如非馬氏體組織脫碳/脫氮、滲層深度不夠、表面硬度低、殘余奧氏體量過(guò)多等，與滲碳件相同，可通過(guò)控制共滲溫度、碳氮?jiǎng)荩x擇合適的淬火油等措施加以解決，在此不再贅述。

4 碳氮共滲的發(fā)展

上述介紹的只是傳統(tǒng)意義上的碳氮共滲，隨著新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝的采用，以碳氮共滲為基礎(chǔ)的表面化學(xué)熱處理得到了極大發(fā)展。

4.1? ? 真空碳氮共滲

為了減少傳統(tǒng)碳氮共滲工件表面的晶界氧化層，縮短共滲時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，改善工件表面機(jī)械性能，21世紀(jì)初真空碳氮共滲技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)就是，工件在真空爐內(nèi)，先在滲碳溫度下通入滲碳?xì)怏w進(jìn)行滲碳，然后降低溫度再通入滲氮?dú)怏w進(jìn)行氮化，使工件表面得到較傳統(tǒng)碳氮共滲更優(yōu)良的機(jī)械性能。

4.2? ? 稀土及非金屬硼、硫的碳氮共滲

研究表明，稀土化合物或稀土單質(zhì)，在碳氮共滲時(shí)有明顯的催滲作用，可減少工藝時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。平均可降低30%左右的時(shí)間，使工件表面的硬度、耐磨性、沖擊韌性和抗腐蝕性都有一定提高。碳氮共滲時(shí)適當(dāng)加入硼、硫等非金屬元素，能起到改善工件表面熱處理淬火后機(jī)械性能的作用。

4.3? ? 鐵素體合金化碳氮共滲

這是一種全新的表面硬化技術(shù)，是在碳氮共滲時(shí)同時(shí)滲入Al、Cr、Ti、V等金屬元素，使工件表面硬度更高，而脆性降低，從而改善工件表面機(jī)械性能。對(duì)于一些有特殊表面性能要求的零件，這一技術(shù)具有重要的實(shí)踐意義。

4.4? ? 加壓氣體碳氮共滲

氣體碳氮共滲時(shí)，在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加爐內(nèi)壓力，即采用加壓脈沖工藝，能使共滲件表面的化合物層更加致密，基本杜絕了表面疏松等缺陷，對(duì)工件機(jī)械性能有較明顯的改善。

5 結(jié)語(yǔ)

碳氮共滲作為一種表面化學(xué)熱處理技術(shù)，因其具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，多年來(lái)應(yīng)用十分廣泛。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用場(chǎng)景要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)意義上的碳氮共滲已很難滿足新要求，應(yīng)用面有逐漸變窄的趨勢(shì)。將來(lái)，采用新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝的碳氮共滲工藝必將逐步取代傳統(tǒng)碳氮共滲工藝，獲得更加廣泛的應(yīng)用。

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收稿日期：2021-01-05

作者簡(jiǎn)介：呂鐵錚（1962—），男，浙江新昌人，機(jī)械高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械材料與制造。