08F钢的氮碳共渗及其微观组织的研究1

学校代号10532学号S0*******分类号TG132密级公开

硕士学位论文

08F钢的氮碳共渗

及其微观组织的研究

学位申请人姓名何爱贵

培养单位材料科学与工程学院

导师姓名及职称伍翠兰教授

学科专业材料物理与化学

研究方向碳钢盐浴氮碳共渗

论文提交日期 2012年月日

学校代号：10532

学号：S0*******

密级：公开

湖南大学硕士学位论文

08F钢的氮碳共渗及其微观组织的研究

学位申请人姓名：何爱贵

导师姓名及职称：伍翠兰教授

培养单位：材料科学与工程学院

专业名称：材料物理与化学

论文提交日期： 2012年月日

论文答辩日期： 2012年月日

答辩委员会主席：教授

Study on the nitrocarburizing process and the microstructure of nitrocarburized

08F steel

by

He Aigui

B.E.(Hunan Institute of Engineering)2009

A thesis submitted in partial satisfaction of the

requirements for the degree of

Master of science

in

Material physics and chemistry

in the

Graduate school

of

Hunan University

Supervisor

Professor Wu Cuilan

April,2012

湖南大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于

１．保密□，在年解密后适用本授权书。

2．不保密□。

(请在以上相应方框内打”√”)

作者签名：日期：年月日

导师签名：日期：年月日

摘要

氮碳共渗是指在渗氮的基础上加入活性碳原子的一种化学表面热处理工艺。本文采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)等表征手段研究了离子氮碳共渗和盐浴氮碳共渗两种不同工艺下的08F钢渗层组织；探讨了共渗介质中C浓度对离子氮碳共渗层微观组织的影响；研究了温度对离子氮碳共渗层微观组的影响。对盐浴氮碳共渗研究，主要探讨了保温时间对氮碳共渗化合物层、晶界析出相等的影响。在晶体学研究方向，重点研究了离子氮碳共渗(570℃和氨气：丙酮=50:4.3)扩散层中γ′-Fe4(C,N)和α″-Fe16(C,N)2两种析出相的形貌及其与基体之间的取向关系。得到以下结论：

(1) 在570℃和共渗介质为氨气：丙酮=50:3.0时，离子氮碳共渗化合物层主要由γ′-Fe4(C,N)相组成。增加离子氮碳共渗介质中的C浓度时，化合物层增厚且化合物层的相结构由γ′-Fe4(C,N)转为ε-Fe2-3(N,C)。扩散层中晶界析出相，γ′-Fe4(C,N)相尺寸增大，γ′-Fe4(C,N)相和α″-Fe16(C,N)2相呈现不连续析出。当离子氮碳共渗温度为650℃时，其化合物层相由ε-Fe2-3(N,C)相组成，扩散层中γ′-Fe4(C,N)相尺寸增大，晶界析出相消失。

(2) 盐浴氮碳共渗过程中，随保温时间的延长，化合物层快速增厚，试样表层疏松层也增厚，晶界析出相由原来的不连续析出转变连续析出，且尺寸和含量由小变大。08F钢盐浴氮碳共渗样品的化合物层相结构随时间延长的规律为：γ′-Fe4(C,N)(大量)+ε-Fe2-3(N,C)(少量)→ε-Fe2-3(N,C)(大量)+Fe3O4(少量)→Fe3O4(大量)+ε-Fe2-3(N,C) (少量)。

(3) 08F钢离子氮碳共渗(570℃、氨气：丙酮=50:4.3)扩散层中γ′-Fe4(C,N)相具有两种典型的外形，即针状或棒状外形和带状外形，尤其是带状γ′的发现丰富了γ′的外形特征。γ′-Fe4(C,N)相内部结构为层错型和非层错型两种，且层错型γ′-Fe4(C,N)含量相对多。另外，带状γ′-Fe4(C,N)一般是非层错型；γ′-Fe4(C,N)与α-Fe 晶体学位向关系表现为近似的N-W关系和近似的K-S关系。α″-Fe16(C,N)2相呈现不均匀析出且表现为圆盘状，其位向关系为：[100]α″//[100]α且(001)α″//(001)α。

关键词：氮碳共渗；晶界析出相；γ′-Fe4(C,N)；α″-Fe16(C,N)2；晶体位向关系

Abstract

Nitrocarburizing, which mixes carburizing with nitriding, is a thermochemical treatment process. In this paper, the scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), and X-ray diffraction (XRD) et al were used to investigate the microstructure of the plasma nitrocarburized or salt-bath nitro carburized 08F steel. It was discussed that the carbon concentration of the nitrocarburizing atmosphere as well as the nitrocarburizing temperature has effect on the microstructures of plasma nitrocarburized specimens. About the salt-bath nitrocarburizing process, the effect of the salt-bath nitrocarburizing hold-time on the microstructures of the compound layer and grain boundaries GBs precipitate phases was just discussed. In addition, the morphology of the γ'-Fe4(C,N) phase and the α-Fe16(C,N)2phase in the diffusion layer of the plasma nitrocarburized specimens (570℃and ammonia: acetone =50:4.3) and their orientation relationship with the matrix were intensely investigated. The results were shown as follows:

(1) The results show that the compound layers, which formed on the specimens in the plasma nitrocarburizing process at 570oC for 5h with the 50:3.0 ratio of ammonia to acetone, was mainly composed of γ'-Fe4(C,N). With the carbon concentration of the plasma nitrocarburizing atmosphere increasing, the structure of the compound layer was changing from γ'-Fe4(C,N) into ε-Fe2-3(N,C), and all of the thickness of the compound layers, the precipitates in the grain boundaries of the diffuse layer, and the size of the γ′-Fe4(C,N) were increasing. When the temperature of the plasma nitrocarburizing increased to 650oC, the microstructures of the compound layer consisted of ε-Fe2-3(N,C) not γ′-Fe4(C,N), accompanying with the GBs precipitates in the diffusion layer disappearing and the γ'-Fe4(C,N) phase growing;

(2) About salt-bath nitro carburizing, with the hold-time prolonging, the thicknesses of the compound layer and loosen layer on the surface were increasing, accompanying with the GBs precipitates continuously precipitating and growing. The phase transformation sequence of the compound layer of the salt-bath nitrocarburized specimens with the hold-time can be described as γ′-Fe4(C,N) (main)+ε-Fe2-3(N,C) →ε-Fe2-3(N,C) (main)+Fe3O4→ Fe3O4 (main)+ε-Fe2-3(N,C);

(3) The γ′-Fe4(C,N) phase in diffusion layer of the plasma nitrocarburized 08F steels has two type of morphology, needle-shaped or rod-shaped and belt-shaped. The γ′-Fe4(C,N) phase in the diffusion layer can be divided into the stack fault typed γ′-Fe4(C,N) and the non stack fault typed γ′-Fe4(C,N), the later is dominant. In

addition, the belt-shaped γ′-Fe4(C,N) usually belongs to the non stack fault typed γ′-Fe4(C,N). The crystallography orientation relationship between the γ′-Fe4(C,N) and the α-Fe matrix can be depicted as an approximate K-S or an approximate N-W orientation relationship with a little deviation. The morphology of the α"-Fe16(C,N) phase was disc-shaped, and the orientation relationship between the α"-Fe16(C,N) phase with the α-Fe matrix was [100]α″//[100]α and (001) α″//(001)α.

Keywords: nitrocarburized; grain boundary precipitates; γ'-Fe4(C,N); α′′-Fe16(C,N)2; crystallography orientation relationship

目录

学位论文原创性申明和学位论文版权使用授权书 ....................................................Ι摘要............................................................................................................................ ΙΙAbstract .................................................................................................................... ΙΙΙ插图索引 ................................................................................................................. VΙΙ附表索引 ................................................................................................................... ΙX 第1章绪论 .. (1)

1.1 引言 (1)

1.2 氮碳共渗工艺的发展 (1)

1.2.1 盐浴氮碳共渗 (1)

1.2.2 气体氮碳共渗 (2)

1.2.3 离子氮碳共渗 (2)

1.3 盐浴氮碳共渗原理及工艺参数 (3)

1.3.1 盐浴氮碳共渗原理 (3)

1.3.2 盐浴氮碳共渗工艺参数 (4)

1.3.3 盐浴氮碳共渗常见缺陷 (4)

1.4 离子氮碳共渗原理及工艺参数 (5)

1.4.1 离子氮碳共渗原理 (5)

1.4.2 离子氮碳共渗工艺参数 (5)

1.4.3 离子氮碳共渗常见缺陷 (6)

1.5 氮碳共渗产物的组织特征及晶体结构 (7)

1.5.1 Fe-N状态图 (7)

1.5.2 Fe-C-N状态图 (8)

1.6 氮碳共渗产物组织分析及其形态研究 (9)

1.6.1 扩散层γ′的形态以及晶体学取向 (10)

1.6.2 扩散层中α′′-Fe16(N,C)2形态及晶体学位向关系 (11)

1.7 本课题研究的意义和内容 (11)

第2章实验材料、实验设备和实验方法 (13)

2.1 实验材料 (13)

2.2 实验设备及实验样品的制备 (13)

2.2.1 实验设备 (13)

2.2.2 实验样品的制备 (13)

2.3 氮碳共渗 (14)

2.3.1 离子氮碳共渗设备 (14)

2.3.2 离子氮碳共渗工艺以及样品制备 (14)

2.3.3 盐浴氮碳共渗设备 (15)

2.3.4 盐浴氮碳共渗工艺以及样品处理 (15)

2.4 氮碳共渗层硬度、组织及结构表征 (16)

2.4.1 氮碳共渗层硬度测试 (16)

2.4.2 氮碳共渗样品的X射线衍射(XRD)分析 (16)

2.4.3 扫描电镜分析(SEM)与能谱分析(EDS) (16)

2.4.4 透射电镜分析 (17)

第3章软氮化工艺对其微观结构及性能的影响 (18)

3.1 氮碳共渗试样的微观组织分析 (18)

3.1.1 氮碳共渗试样的横截面微观组织的SEM观察 (18)

3.1.2 氮碳共渗试样横截面EDS分析 (22)

3.2 盐浴氮碳共渗时间对渗层微观组织的影响 (23)

3.3 离子氮碳共渗温度对渗层微观组织的影响 (25)

3.4 离子氮碳共渗C浓度对渗层微观组织的影响 (29)

3.5 不同热处理工艺下试样渗层的显微硬度 (31)

3.6 小节总结 (31)

第4章软氮化工艺对相变行为的影响 (33)

4.1 不同渗氮工艺条件下渗层结构变化规律 (33)

4.2 盐浴氮碳共渗化合物层相变规律与保温时间关系 (35)

4.3 离子氮碳共渗过程中温度对化合物层微观组织的影响 (37)

4.4 本章小结 (38)

第5章扩散层中析出相形貌及其与基体位向关系 (39)

5.1 扩散层中γ′-Fe4(C,N)相及α′′-Fe16(N,C)2相析出行为观察 (39)

5.2 扩散层中γ′-Fe4(C,N)相形貌观察 (41)

5.2.1 扩散层中γ′-Fe4(C,N)相SEM观察 (41)

5.2.2 扩散层中的γ′-Fe4(C,N)相形貌TEM观察 (42)

5.2.3 扩散层中的γ′-Fe4(C,N)相HRTEM观察 (43)

5.2.4 扩散层中的γ′-Fe4(C,N)相及基体之间位向关系 (44)

5.3 扩散层中的α′′-Fe16(C,N)2相TEM观察 (47)

5.4 本章小结 (49)

结论 (51)

参考文献 (53)

附录A (56)

致谢 (57)

硕士学位论文

插图索引

图1.1 Fe-N二元合金相图 (7)

图1.2 Fe-C-N在565℃的等温截面图 (9)

图1.3 γ′-Fe4(C,N)相和γ-Fe(C,N)相晶体结构示意图 (10)

图2.1 离子氮碳共渗示意图 (14)

图2.2井式盐浴氮碳共渗炉示意图 (15)

图3.1 08F钢经不同处理后的横截面微观组织SEM (19)

图3.2 N和C原子各种扩散通道 (20)

图3.3 08F钢及其离子氮碳共渗处理后扩散层微观组织局部放大SEM图像及其相应EDS和γ′-Fe4(C,N)相长度统计图 (21)

图3.4 氮碳共渗试样从表层到心部线扫描EDS (22)

图3.5 离子氮碳共渗横截面试样点扫描EDS图谱 (23)

图3.6 盐浴氮碳共渗1-4h试样横截面SEM图像 (24)

图3.7 盐浴氮碳共渗化合物层厚度随共渗时间的变化曲线 (25)

图3.8 08F钢在不同温度条件下进行离子氮碳共渗试样横截面微观组织SEM图像 (26)

图3.9 不同温度条件下离子氮碳共渗扩散层中析出相长度 (26)

图3.10 不同温度条件下08F钢离子氮碳共渗横截面SEM (27)

图3.11 图3.10(a)中不同区域的N和C浓度EDS图谱 (28)

图3.12 图3.10(b)中不同区域的N和C浓度EDS图谱 (28)

图3.13 570℃条件下08F钢离子氮碳试样晶界析出相N和C浓度EDS图谱 (29)

图3.14 共渗介质中C浓度对570℃离子氮碳共渗试样横截面微观组织的影响 . 30图 3.15 Fe-N二元系平衡状态图与Fe-C-N三元565℃等温截面状态图 (30)

图4.1 08F钢原始态、570℃不同共渗介质的离子氮碳共渗处理5h及盐浴氮碳共渗处理4h试样表层XRD图谱 (34)

图4.2 08F钢在不同C浓度下离子氮碳共渗试样扩散层XRD图谱 (35)

图4.3 盐浴氮碳共渗保温不同时间的试样化合物层XRD图谱 (35)

图4.4 盐浴氮碳共渗试样横截面微观组织随保温时间的变化示意图 (36)

图4.5 08F钢在不同离子氮碳共渗温度下化合物层XRD图谱 (37)

图5.1 08F钢离子氮碳共渗试样扩散层中析出相形貌 (40)

图5.2 电解抛光条件后样品的横截面微观组织形貌 (41)

图5.3不同类型的γ′-Fe4(C,N)相TEM明场像 (43)

图5.4层错型和非层错型γ′-Fe4(C,N)相的高分辨图像 (44)

图5.5 扩渗层中γ′-Fe4(C,N)相的TEM形貌以及对应的电子衍射花样 (46)

图5.6 基体α-Fe与γ′-Fe4(C,N)之间的位向关系 (47)

08F钢的氮碳共渗及其微观组织的研究

图5.7 α″-Fe16(C,N)2相结构示意图 (47)

图5.8 08F钢离子氮碳共渗扩散层α″-Fe16(C,N)2形貌及其相应的选取电子衍射 48

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附表索引

表 1.1 Fe-N系中可能存在的基体和氮化物的结构及存在形式 (8)

表 1.2 Fe-C-N系中碳浓度对物相影响 (9)

表 1.3 Fe-C-N系中氮浓度对物相影响 (9)

表 2.1 08F钢的化学成分(wt.%) (13)

表 2.2实验所用到的实验设备 (13)

表 2.3 实验样品的制备 (14)

表 2.4 离子氮碳共渗工艺 (15)

表 2.5 为盐浴氮碳共渗工艺参数 (16)

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第1章绪论

1.1 引言

钢是应用最广泛的一种金属材料。到2009年底，全球的钢的总产量已经超过1200多百万吨。根据相关文献[1]记载，每年因为磨损和腐蚀而造成经济损失达到该国国民生产总值的3~5%。零件的失效往往是材料的表面的磨损，腐蚀等因素引起的。随技术发展，对材料的综合性能提出了更高的要求，新材料的开发和热处理工艺势在必行。氮碳共渗技术作为改善钢铁材料表面性能的一种非常有效手段，在生产实践中得到广泛的运用。

氮碳共渗是指将零件置于共渗介质中，通过加热、保温和冷却等的方法，使通过反应产生的活性氮、碳元素渗入零件的表层，达到改变材料组织，获得更好综合性能的一种工艺[2]。

在钢铁材料中，08F钢具有良好的塑性和韧性，具有一定的抗拉伸力学性能，在机械、石油和生活用品等行业上有较为广泛的运用，如用作油桶、冲压件，也可用作制成钢管、钢条及心部强度要求不高的结构件等。但其硬度和耐磨性差等缺点势必限制其广泛应用。而通过氮碳共渗处理，08F钢零件的表面获得良好的耐磨性能和抗腐蚀性能，极大地提高了其产品的使用性能。本文主要研究不同工艺条件下08F钢氮碳共渗试样的微观组织。重点研究了γ'-Fe4(N,C)相的形貌及其与基体之间的位向关系。

1.2 氮碳共渗工艺的发展

氮碳共渗俗称软氮化。我国古代匠人就利用大豆(蛋白质)分解出来的活性氮原子和活性碳原子的淬火液进行淬火作业，从而改善刀和剑的强度[2]。1923年Fri等人[3]发表了名为“钢、铁及合金钢中的氮，新的表面强化方法”以来，Fe-C系合金材料进行渗氮处理就引起广大学者的注意。直到Fe-N二元平衡状态相图建立，为以后的氮化或软氮化处理奠基了理论基础。

在单一的渗氮处理中，零件表面化合物层脆性较大、渗速慢、化合层薄等特点，不能满足一些工件要求，因此发展出来了氮碳共渗工艺，其目的是为了改善工件表面脆性和渗速。氮碳共渗是在渗氮的基础上引入少量的碳原子。氮碳共渗可以分为盐浴氮碳共渗、气体氮碳共渗、固体氮碳共渗和离子氮碳共渗等。

1.2.1 盐浴氮碳共渗

用含氰盐为介质进行的盐浴碳氮共渗俗称氰化[2]。盐浴氮碳共渗作为常用的表面化学处理技术之一，在工业生产中的运用已超过60年。到目前为止，盐浴氮碳共渗技术仍然在强化材料的表面硬度，提高耐磨性能，抗疲劳性，抗腐蚀等性能等方面发挥着重要作用[4]。

最初的盐浴氮碳共渗工艺是在一定温度下，将零件放置于氰化物熔盐中进行保温一段时间的热处理。通常情况下，这种氰化物需要老化数天才能使用。目的是使氰酸盐的浓度达到盐浴氮碳共渗所需要的浓度。这种工艺生产周期长且浪费大量的能源、人力资源和污染环境，因此，之后的研究者对该工艺进行了改进，也取得了一定的成果。上世纪50年代，开始采用以氰化物和氰酸盐的混合盐作为氮碳共渗的介质，在共渗保温阶段向共渗盐中通入空气的氮碳共渗工艺。该工艺能有效的提高零件的表面性能，且该混合盐的盐浴氮碳共渗工艺具有成本低、操作简单等优点而被广泛使用。后来出现了通过加入再生剂，能反复使用共渗盐的TENIFER工艺，亦称作TUFFTRIDE法。这种工艺的优势在于氰化物盐浴氮碳共渗时，既能充分利用共渗盐，同时较大地减少了对环境的污染。但由于氰化物有剧毒，共渗盐在运输和保存中受到严重限制，共渗后产生的废液难以处理，以及对环境的危害大，从而导致这种氮碳共渗方法逐渐被禁止使用。到上个世纪70年代，擅长制造热处理设备和拥有较强热处理技术的Degussa公司开发出原料中不含有氰化物的盐浴盐，并设计出循环利用氮碳共渗废液的工艺和相应的设备，使得盐浴氮碳共渗的优势再次展现出来[5~11]。到目前为止，我国已开发出类似这种对环境没有污染的盐浴氮碳共渗盐以及共渗的工艺和设备。由于各种因素导致工件的氮碳共渗效果与国外的相对比仍有一定的差距，有待后来者的进一步研究。

1.2.2 气体氮碳共渗

1923年，德国人A.Fri[3,12]首次将氨气通入密封的炉罐中进行气体渗氮并取得成功，打破化学热处理领域内只有渗碳的局面。上世纪六十年代，利用氨气和甲烷质量分数各占一半的混合气体作为气体氮碳共渗介质，在580℃下进行氮碳共渗，发现碳含量的提高可以使工件表面形成单一的ε氮化合物层，该层能大幅度提高工件表面的硬度、耐磨性等性能[13]。依据氧的存在能够加速铁表面吸附氮的速率，Bell[13]认为氧在气体氮碳共渗中能增加ε相中铁氮碳化合物的生成率[13]。Cowan和Bryce等人[14]在封闭的盐浴氮碳共渗炉中，利用高温氰化盐挥发出来的气态氮碳共渗介质进行氮碳共渗，获得的气体氮碳共渗的专利。随着气体氮碳共渗技术的发展，目前，气体氮碳共渗成为常用的一种表面化学热处理技术。而我国目前的气体氮碳共渗技术是在引进国外技术的基础上进行大量的改进，在模具的表面性能的改善方面具有较好的运用价值[15]。

1.2.3 离子氮碳共渗

在氮碳共渗的发展中，离子氮碳共渗的出现相对较晚，该工艺是建立在盐浴氮碳共渗工艺和气体氮碳共渗工艺的基础上发展而来。离子氮碳共渗的俗称又为辉光离子氮碳共渗。德国科学家B.Berghous等人[15]发现，在辉光放电的条件下，能将气体中的氮元素渗入零件的表层，在工件表层形成化合物层，其微观组织跟盐浴氮碳共渗或气

体氮碳共渗形成的化合物层微观组织相同。在上世纪中叶，随着晶闸管整流元件的生产并使用[16,17]，离子氮碳共渗技术得了快速到发展。直到20世纪60年代，离子氮碳共渗技术开始被用于工业化生产。离子氮碳共渗与传统气体氮碳共渗或盐浴氮碳共渗工艺相比较，离子氮碳共渗具有如下优点：

1.离子氮碳共渗的可调控参数多。可以根据工件的不同和要求的差异进行工艺调节和控制。通过参数的调节，有效地控制化合物层的显微组织和相的生成，获得综合性能较好的效果。离子氮碳共渗过程中，共渗零件的变形小、白亮层组织均匀、没有软点和氢脆等缺点[18~20]；

2.离子氮碳共渗的时间短和渗速快。对比相关文献[21]所提到的资料得出，离子氮碳共渗可减少1/6到1/2的时间；

3.离子氮碳共渗的热效率高和共渗剂用量少。能节约30%的电能，共渗介质的使用量仅有气体氮碳共渗的三分之一到十分之一，设备的使用寿命长；

4.离子氮碳共渗对环境污染小。整个共渗的过程中没有烟雾产生。与气体氮碳共渗工艺相比，减少废气燃烧的工艺。与盐浴氮碳共渗工艺相比，不需要对共渗后的零件进行清洗；

5.在实际生产中，离子氮碳共渗设备容易实现自动化生产，适合大批量的体型小的零件生产。此外，对于渗层质量不易控制的零件，离子氮碳共渗技术也实现到预期的共渗层。不足的是离子氮碳共渗的设备较复杂，投资成本相对较大，对形状复杂零件尤其是深孔难以做到均匀渗层。另外，对工人操作水平要求高。

上世纪60年代，我国开始了离子氮碳共渗的研究，进过几十年的技术引进、模仿、研究和发展，我国的离子氮碳共渗技术达到一定高度，并取得好的经济效益[22]。

1.3 盐浴氮碳共渗原理及工艺参数

氮碳共渗原理是根据化学介质的不同，其反应原理也不同，根据本文研究实验所用到的方法，重点描述盐浴氮碳共渗和离子氮碳共渗的原理及工艺参数。

1.3.1 盐浴氮碳共渗原理

盐浴氮碳共渗是利用熔盐中的氮碳共渗介质产生活性N和C原子，这些活性N 和C原子渗入工件表面，形成化合物层，提高工件表面的硬度、耐磨性、抗疲劳强度、抗腐蚀性等力学性能。本文研究以尿素、碳酸盐等为例来阐述盐浴氮碳共渗反应机理。该氮碳共渗介质是以尿素和碳酸钠为主的渗盐。尿素在300～400℃开始熔化，与碳酸钠、碳酸钾作用后形成氰酸盐，其化学反应方程式为[2]：

2(NH2)2CO+K2CO3→2KCNO+2NH3↑+CO2↑+H2O (1-1)

2(NH2)2CO+Na2CO3→2NaCNO+2NH3↑+CO2↑+H2O (1-2)

4KCNO→K2CO3+2KCN+CO↑+2[N] (1-3)

2CO→CO2↑+[C] (1-4)

1.3.2 盐浴氮碳共渗工艺参数

1.3.

2.1 氮碳共渗渗剂的成分

氮碳共渗过程中，依靠氮碳共渗反应中产生CNˉ离子和CNOˉ离子生成的活性氮、碳原子来实现氮碳共渗的。CNˉ的含量较低，小于0.5%时，化合物层主要由ε相和γ′氮化物两相组成。而熔盐中CNOˉ的含量过高，在共渗的过程中产生大量的氧和二氧化碳，导致零件表面的腐蚀严重，共渗零件表面形成大量的微孔，同时盐的成分被提前消耗；当熔盐中CNOˉ含量过低，导致氮碳共渗盐的活性比较低，引起表面硬度偏低。氮碳共渗过程中，溶盐中的CNˉ离子和CNOˉ离子的含量处于变化中，但工业生产中，其含量控制在一个合理的范围内，即：CNˉ离子的浓度在1%~6% (wt.%)和CNOˉ离子的浓度在36%~38% (wt.%)。

1.3.

2.2 氮碳共渗的温度

在工业生产中，氮碳共渗温度通常控制在560℃~580℃之间。盐浴氮碳共渗的共渗温度偏低，氮、碳元素的扩散速度降低引起渗层过薄。随着共渗温度的继续降低，氮碳共渗温度低于520℃，氮碳共渗盐会出现成分偏析即碳酸盐的沉淀。氮碳共渗温度过高，共渗渗层转变成单相ε相，CNOˉ离子的消耗严重，造成CNOˉ离子含量急剧下降，工件渗层的结构前后因为成分变化大而差别变大，从而影响工件质量。

1.3.

2.3 氮碳共渗时间

盐浴氮碳共渗的时间取决于共渗零件的渗层厚度的要求、共渗零件的材料成分、共渗盐中的成分含量、盐的类型以及共渗的温度。盐浴氮碳共渗时，短时间内化生成了很薄的化合物层。随着氮碳共渗时间的延长，化合物层逐渐增厚，化合物层的脆性增加。当氮碳共渗的时间过长时，零件的表面会有腐蚀的产生，共渗零件的表面变粗糙。

1.3.

2.4 冷却的速度控制

盐浴氮碳共渗的冷却方式有许多种，常用的冷却方法有空冷、油冷、水冷和盐浴冷却。空冷的冷却速度快，同时冷却的过程中产生的尺寸变化小，但抗疲劳强度有所下降。油冷的冷却速度比空冷的快，其冷却过程中带来的尺寸变化也小，其抗疲劳强度比相同条件下的空冷的要大。水冷的冷却速度比油冷快，样品冷却过程中带来的尺寸变化大，但抗疲劳强度有所提高[2]。

1.3.3 盐浴氮碳共渗常见缺陷

盐浴氮碳共渗具有共渗时间短，渗速度快，成本相对较低等优点得到广泛运用。在实际生产中，往往因氮碳共渗零件的表面产生疏松层，导致产品质量下降；此外，由于氮碳共渗盐清洗较为困难，因此，盐浴氮碳共渗不适合用于具有封闭深孔的零件。

1.4 离子氮碳共渗原理及工艺参数

1.4.1 离子氮碳共渗原理

离子氮碳共渗是辉光离子氮碳共渗的简称，离子氮碳共渗在离子氮化的基础上加入含碳气体(如甲烷，丙酮等)，获得以ε相为主的化合物层。工件的共渗在压力低于105Pa的氮碳共渗气氛介质中，利用零件作为阴极，与阳极之间的辉光放电，使得两极中间的稀薄介质产生活性氮、碳原子并通过吸附扩散渗入零件的表层，使表面硬度、耐磨性能和抗疲劳强度等的有效提高[23,24]。由于离子氮碳共渗过程跟离子渗氮一样，因此，本小节将以离子渗氮过程来描述其转变过程。离子氮碳共渗通常可以分为6个过程，即：

(1) 能量转换。离子在高压电场条件下，具有很大的动能，当这些离子轰击到工件表面时，会发生能量交换，使动能转化成热能，从而导致工件表面温度升高；

(2) 产生阴极溅射效应。高能离子束轰击到工件表面时，阴极表面上的中性原子或分子会产生分离，产生活性C、O等原子，同时打出来的二次电子向阳极移动，移动的过程中与气体分子发生碰撞，使之电离，产生新的N+、H+离子。同时，溅射可以去除工件表面的氧化膜，使工件表面净化，有利于活性N原子的吸收，增快渗氮速度；

(3) 形成高密度的位错层。由于溅射效应和表面局部温度的双重作用，在工件表面会形成一定厚度的高密度位错层，该位错层促进了活性[N]原子向工件内部扩散，加速了氮碳共渗过程；

(4) 氮离子得到电子后转化成活性[N]。带正电的N+向阴极(工件)表面移动，最终吸附在工件表面，得到电子的N+转化成活性氮原子，这些活性N原子与Fe原子结合，形成FeN化合物，即[2,26]：

N++e-→[N](1-5)

[N]+Fe→FeN (1-6)

(5) 凝附作用。工件表面沉积了大量的富氮的FeN相，在渗氮温度下不稳定而发生分解，形成低价氮化物Fe2N、Fe3N及Fe4N。分解过程中会形成大量的活性氮原子，导致从表层到心部存在N浓度梯度，势必导致N向工件内部扩散，最终形成渗氮层，即[2]：

2FeN→Fe2N+[N] (1-7)

4FeN→Fe3N+2[N] (1-8)

4FeN→Fe4N+3[N] (1-9)

(6) H+离子的化学作用。H+离子与溅射出来的C、O等原子发生化学作用，使得工件表面氧化物发生还原，使得工件表面呈现活化状态。

1.4.2 离子氮碳共渗工艺参数

影响共渗零件质量的因素有共渗介质的成分和类型，离子氮碳共渗的温度，以及

离子氮碳共渗时间或者保温时间。每个工艺参数的影响具体如下：

1.4.

2.1 共渗介质的影响

离子氮碳共渗以渗氮为主，渗碳为辅。氮碳共渗的气氛中碳含量增加到一定程度，共渗零件的表面形成一层炭黑，阻碍了氮碳共渗的进行。通常情况下，将碳元素和氮元素的比例控制在1:4到1:9之间。而含有氮、碳元素的共渗介质按化学性质和成分不同，分为两种工艺，即：N2、H2和C3H6的混合气体工艺和C2H5OH-NH3或者C3H7OH-NH3的混合气体工艺。以共渗介质为N2、H2和C3H6的混合气体中，N2和C3H6的含量增加，化合物层中的ε的含量增加。C2H5OH-NH3或者C3H7OH-NH3的混合气体作为离子氮碳共渗的介质时，当乙醇的气体或者丙醇气体和氨气的气流量比例在1:9~3:7之间；当乙醇或者丙烷的含量增加，氮碳共渗的白亮层厚度减薄；当丙酮或者乙醇的含量为氨气的四分之一，此时共渗表面的硬度值最高。

1.4.

2.2 氮碳共渗的温度

根据Fe-N-C三元等温截面状态图[2]，离子氮碳共渗温度对渗层的影响主要体现在565℃时的共析点发生的相变和温度的升高对氮、碳元素在材料的基体中的固溶度的影响。共析温度超565℃时，氮碳共渗的过程中将发生α相→γ相的转变。通常在570℃以下，随着温度的升高氮碳共渗的渗层和扩散层增厚；当共渗温度高于570℃以后，共渗温进一步升高，则氮碳共渗渗层的厚度增加，且表层出现疏松层以及表面硬度相对下降。同时，因为发生相的转变使得渗入表层的氮原子向内扩散变得困难，导致扩散层的厚度反而小于温度相对较低氮碳共渗的扩散层厚度[2]。综合各种因数，离子氮碳共渗的最佳温度在570℃左右。

1.4.

2.3 保温时间对共渗的影响

在离子氮碳共渗过程中，氮碳共渗的有效时间增加，渗层的厚度最初是增加，随着时间的延长，厚度增加的速率逐渐变缓，继续延长氮碳共渗的时间，深层厚度几乎不增加。

1.4.3 离子氮碳共渗常见缺陷

由于工艺不正确或操作不当，往往造成工件渗氮层疏松、离子氮碳共渗零件的渗层出现针状或鱼骨状氮化物、扩散层中脉状或网状氮化物等缺陷，下面具体说明这些缺陷。

(1) 渗氮层疏松。渗氮过程中，在化合物层上分布一些细小的空洞。这些空洞的大小、数量和存在形态对工件表层性能有很大影响；

(2) 渗氮层表面出现针状或鱼骨状氮化物。工件表面存在脱碳铁素体层，渗氮过程中，由于氮在铁素体中的扩散速度快，导致脱碳层中铁素体具有很高的氮浓度，从而形成针状或鱼骨状的组织。这些针状或鱼骨状的氮化物使得工件的脆性增加、韧性降低、

耐冲击性能减弱、耐磨性能降低以及产生疲劳剥落等；

(3) 化合物层不均匀。工件渗氮时间太短、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)等因素造成；

(4) 扩散层中形成脉状或网状氮化物。渗氮过程中，由于晶粒粗大，渗氮温度过高，氨水含水分过多等因素容易导致脉状组织或网状组织形成。一般都认为，脉状组织或网状组织是比较脆的组织，容易产生疲劳裂纹源。

1.5 氮碳共渗产物的组织特征及晶体结构

氮碳共渗是在渗氮的过程中加入少量的活性碳原子。因此，氮碳共渗产物跟氮化产物具有很大的相似之处。了解氮碳共渗产物的特征及晶体结构前，先了解下各种渗氮产物特征及晶体结构。

1.5.1 Fe-N状态图

由图1.1可以看出，Fe-N系中可以形成五种相，即：α-Fe、含氮奥氏体，γ′-Fe4N，ε-Fe2-3N和η-Fe2N五种平衡相，另外还能形成含氮马氏体α′、α″-Fe16N2以及含氮过饱和残余奥氏体等亚稳相。在图1.2中，为Fe-N二元合金相图，表1.1为Fe-N系中各相特征及晶体结构。

图1.1 Fe-N二元合金相图[2]

表1.1 Fe-N系中可能存在的基体和氮化物的结构及存在形式[27]

相符号晶体

结构

点阵常数

氮原子

分布

氮的溶解度

(at.%N)

备注

含氮铁素体αBCC

点阵常数在

0.2866~0.2877u

m

八面体空

隙中

0.001~0.115 磁性

含氮奥氏体γFCC 随着氮含量增

加变大

八面体空

隙中

2.35~2.86

γ→α+γ′

590℃平衡转

变γ→α′

含氮马氏α′BCC

与氮含量有关

c/a比值1-1.085

面心位置0.7~2.5 —

以Fe4N为基的固溶体γ′-Fe4N

简单

立方

a=3.795

占1/4的

八面体间

隙

19.3~20.0 —

以Fe2-3N为基的固溶体ε-Fe2-3N HCP

a=0.2700nm

c=0.4371nm

晶格的八

面体间隙

15~33 —

以Fe2N为基的固溶体η-Fe2N

有序

斜方

点阵

a=0.5523nm

b=0.4830nm

c=0.4425nm

晶胞类似

于ε扭曲

变体

~33

450℃以下稳

定存在

含氮亚稳相α′′-Fe16N2体心

正方

a=0.5720nm

c=0.6250nm

—11.1

210℃以下稳

定存在

1.5.2 Fe-C-N状态图

Fe-C-N三元合金相图比较复杂，现只介绍共析温度565℃的等温截面图，如图1.2所示。在565℃温度下，当合金中氮、碳含量不同时其氮碳共渗产物也有所不同，具体氮、碳含量对氮碳共渗产物的影响如表1.2和表1.3所示。

碳氮共渗层的组织与性能(4)

碳氮共渗层的组织与性能（4） 1．共渗层的组织和性能共渗层的组织决定于碳氮浓度及其分布情况。退火状态的组织与渗碳相似。直接淬火后表面金相组织为含碳氮的马氏体和残余奥氏体，有时还有少量的碳氮化合物。心部组织决定于钢的成分与淬透性，具有低碳或中碳马氏体及贝氏体等组织。 碳氮共渗中化合物的相结构与共渗温度有关，800℃以上，基本上是含氮的渗碳体Fe3（C、N）；800℃以下由含氮渗碳体Fe3（C、N）、含碳ε相Fe2~3（C、N）及γ/相组成。化合物的数量与分布决定于碳氮浓度及钢材成分。 共渗淬火钢的硬度取决于共渗层组织。马氏体与碳氮化合物的硬度高，残余奥氏体的硬度低。氮增加了固溶强化的效果，共渗层的最高硬度值比渗碳高。但是，共渗层的表面硬度却稍低于次层。这是由于碳氮元素的综合作用而使Ms点显著下降，残余奥氏体增多。 碳氮共渗还可以显著提高零件的弯曲疲劳强度，提高幅度高于渗碳。这是由于当残余奥氏体量相同时，含氮马氏体的比容大于不含氮的马氏体，共渗层的压应力大于渗碳层。还有人认为，由于细小的马氏体与奥氏体均匀混合，使得硬化层的微观变形均匀化，可以有效防止疲劳裂纹的形成与扩展。 2．共渗层的组织缺陷 （1）一般缺陷共渗淬火后的汽车齿轮等零件也要检查硬度、渗层深度和显微组织（碳氮化合物等级、马氏体与残余奥氏体等级、心部组织），并按相关标准评级。碳氮共渗的组织缺陷与渗碳类似，例如残余奥氏体量过多、形成大量碳氮化合物，以致出现壳状组织等。 过量的残余奥氏体会影响表面硬度、耐磨性与疲劳强度。为此，应严格控制表面碳氮浓度，也可在淬火后继之以冷处理，在淬火之前先经高温回火。 如果共渗层中碳氮化合物过量并集中与表层壳状，则脆性过大，几乎不能承受冲击，再喷丸及碰撞时就可能剥落。产生这种缺陷的主要原因在于共渗温度偏低，氨的供应量过大，过早地形成化合物，碳氮元素难以向内层扩散。这是必须防止的缺陷。不错，碳氮共渗控制碳势的高低，也要控制氨气的通入量，有机的结合才能达到合格的组织 碳氮共渗最难解决的组织缺陷还是“三黑”问题；即“黑网、黑洞、黑带”。这也是中温碳氮共渗工艺与渗碳相比最大缺点之一。 （2）“三黑缺陷”使中温碳氮共渗工艺应用受到了很大的限制。 3 本质： 3.1 黑色组织：类似于渗碳淬火的晶界内氧化和非马问题，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。 3.2 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

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。对于少数在高接触应力下工作的合金钢零件，当要求表面具有较多均匀分布的碳氮化合物颗粒时，表面含碳量可达1.20~1.50％，甚至2~3％，含氮量仍在0.50％以下。 共渗层的深度应该与工件服役条件和钢材成分相适应。心部的含碳量较高或工件的承载能力较低时，如纺织机钢令圈、40Cr钢制汽车

碳氮共渗缺陷

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

氮碳共渗与碳氮共渗的区别

氮碳共渗：又称软氮化或低温碳氮共渗,即在铁-氮共析转变温度以下，使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳。碳渗入后形成的微细碳化物能促进氮的扩散，加快高氮化合物的形成。这些高氮化合物反过来又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。此外，碳在氮化物中还能降低脆性。氮碳共渗后得到的化合物层韧性好，硬度高，耐磨，耐蚀，抗咬合。常用的氮碳共渗方法有液体法和气体法。处理温度530～570℃，保温时间1～3小时。早期的液体盐浴用氰盐，以后又出现多种盐浴配方。常用的有两种：中性盐通氨气和以尿素加碳酸盐为主的盐，但这些反应产物仍有毒。气体介质主要有：吸热式或放热式气体（见可控气氛）加氨气；尿素热分解气；滴注含碳、氮的有机溶剂，如甲酰胺、三乙醇胺等。氮碳共渗不仅能提高工件的疲劳寿命、耐磨性、抗腐蚀和抗咬合能力，而且使用设备简单，投资少，易操作，时间短和工件畸变小，有时还能给工件以美观的外表。 碳氮共渗：以渗碳为主同时渗入氮的化学热处理工艺。它在一定程度上克服了渗氮层硬度虽高但渗层较浅，而渗碳层虽硬化深度大，但表面硬度较低的缺点。应用较广泛的只有气体法和盐浴法。气体碳氮共渗介质是渗碳剂和渗氮剂的混合气，例如滴煤油（或乙醇、丙酮）、通氨；吸热或放热型气体中酌加高碳势富化气并通氨；三乙醇胺或溶入尿素的醇连续滴注。 [C]、[N]原子的产生机制除与渗碳、渗氮相同外，还有共渗剂之间的合成和分解： CO+NH3?HCN+H2O CH4+NH3?HCN+3H2 2HCN?2[C]+2[N]+H2 碳氮共渗并淬火、回火后的组织为含氮马氏体、碳氮化合物和残余奥氏体。深0.6～1.0mm 的碳氮共渗层的强度、耐磨性与深1.0～1.5mm的渗碳层相当。为减少变形，中等载荷齿轮等可用低于870℃的碳氮共渗代替930℃进行的渗碳。

很全面,渗碳+渗氮+碳氮共渗表面处理工艺

很全面，渗碳+渗氮+碳氮共渗表面处理工艺 渗碳与渗氮一般是指钢的表面化学热处理 渗碳必须用低碳钢或低碳合金钢。可分为固体、液体、气体渗碳三种。应用较广泛的气体渗碳，加热温度900-950摄氏度。渗碳深度主要取决于保温时间，一般按每小时0.2-0.25毫米估算。表面含碳量可达0.85%-1.05%。渗碳后必须热处理，常用淬火后低温回火。得到表面高硬度心部高韧性的耐磨抗冲击零件。 渗氮应用最广泛的气体渗氮，加热温度500-600摄氏度。氮原子与钢的表面中的铝、铬、钼形成氮化物，一般深度为0.1-0.6毫米，氮化层不用淬火即可得到很高的硬度，这种性能可维持到600-650摄氏度。工件变形小，可防止水、蒸气、碱性溶液的腐蚀。但生产周期长，成本高，氮化层薄而脆，不宜承受集中的重载荷。主要用来处理重要和复杂的精密零件。 涂层、镀膜、是物理的方法。“渗”是化学变化，本质不同。 钢的渗碳——就是将低碳钢在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

钢的渗碳和碳氮共渗、淬火、回火工艺剖析

钢的渗碳和碳氮共渗、淬火、回火工艺 1、主题内容和适用范围 本工艺规定了渗碳钢的气体渗碳氮共渗淬火回火处理的工序 准备、工艺规范、操作规程、质量检验和安全环保等方面要求。 2、引用标准 JB3999—85 钢的渗碳和碳氮共渗淬火回火处理 GB85839—87 齿轮材料及热处理质量检验一般规定 ZBJ17022—88 齿轮碳氮共渗工艺及质量控制 ZBT04001—88 汽车渗碳齿轮金相检验 JB/ZQ4038—88 重载齿轮渗碳质量检验 GB9450—88 钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定和校核 GB15735—1995 金属热处理生产过程安全卫生要求 3、工艺准备 3.1 工件准备 3.1.1 对照图纸了解被处理工件的材料牌号（或化学成份），予处理情况和质量要求，磨削留量，必要时检查齿轮（轴齿轮）的加工精度。 3.1.2工件表面不得有氧化皮、碰伤和裂纹，用清洗剂洗净油污后烘干。 3.1.3 工件表面不需要渗碳或碳氮共渗的部位，又无留余量，没安排剥碳层的加工工序，就要用防渗涂料保护，防渗涂料的厚度应大于0.3mm，涂层应致密，防渗涂料应符合ZB451—014的规定。 3.2 工装准备

3.3 开炉准备选用的工装应具有足够的热处理强度和刚度。 3.3.1检查热处理设备的机械和电气部分是否正常，炉子是否漏气。检查炉子需润滑油的部位，使其不断润滑。 3.3.2检查测温仪表，热电隅是否正常，要定期进行校验。 3.3.3定期清理气体渗碳炉炉罐中的碳黑和灰烬。 3.4工件的表卡和试样 3.4.1 根据工件的形状和要求，选用适当的吊具和夹具。 3.4.2 工件间要有5～10mm的间隙。 3.4.3 应随炉放置与装炉工件材质和予处理相同和符合GB8539—87“齿轮材料及热处理质量检验的一般规定”规定的样式，并放置在有代表性的位置，以备炉前操作抽样检查。 4、渗碳和碳氮共渗淬火回火处理的工艺规范和操作规程 4.1渗碳、碳氮共渗处理 4.1.1 装炉 4.1.1.1工件装炉前应把炉温升到渗碳或共渗温度，连续生产时可干上一炉出炉后立即装炉。 4.1.1.2 工件应装在炉子的有效加热区内，加热区的炉温不得超过±15℃。 4.1.1.3 每炉装载量不大于设备的装载量。 4.1.2 气体渗碳工艺规范和操作规程 4.1.2.1 气体渗碳工艺规范参照图1，低碳合金渗碳钢的渗碳温度取上限。

渗氮及碳氮共渗常见问题与解决的方法

渗氮及碳氮共渗常见问题与解决的方法 氮化工件表面硬度或深度不够 （1）可能是所选材料不适合作氮化处理。 （2）可能是氮化处理前的组织状态较差。 （3）可能是氮化温度选择不当。 （4）炉中之温度或流气不均匀。 （5）氨量不恰当。 （6）渗氮的时间不够。 （7）氮化前工件表面有脏物。 氮化工件弯曲变形 （1）氮化前的弛力退火处理没有做好。 （2）工件几何曲线设计不良，例如不对称、厚薄变化太大等因素。 （3）氮化中被处理的工件放置方法不对。 （4）被处理工件表面性质不均匀，例如清洗不均或表面温度不均等因素。氮化工件发生龟裂现象 （1）氨的分解率不正常。 （2）渗氮处理前工件表面存在脱碳层。 （3）工件设计有明显的锐角存在。 （4）白亮层太厚时。 氮化工件的白层过厚 （1）渗氮处理的温度不当。 （2）氨的分解率低，可能发生此现象。 氮化处理时氨分解率不稳定 （1）分解率测定器管路漏气。 （2）渗氮处理时装入炉内的工件太少。 （3）炉中压力变化导致氨气流量改变。 （4）触媒作用不当 机械加工件前处理如何防止渗碳？ （1）镀铜法，镀上厚度0.20mm左右。 （2）涂敷涂剂后乾燥。 （3）涂敷防渗碳涂敷剂后乾燥，如硼砂和有机溶剂為主。 （4）氧化铁和黏土混合物涂敷法。 （5）利用套筒或套螺丝。 渗碳（碳氮共渗）后工件硬度不足 （1）冷却速度不足，可利用喷水冷却或盐水冷却。 （2）渗碳不足，可使用强力渗碳剂。 （3）淬火温度不足。 （4）淬火时加热发生脱碳，可使用盐浴炉直接淬火 渗层剥离现象 （1）含碳量的浓度坡度太大，应进行一次退火。 （2）不存在过度层，应缓和渗速。 （3）过渗现象，可考虑研磨前次之渗层 （4）反覆渗碳（碳氮共渗）亦可能產生渗层剥离的现象

渗碳 渗氮、氮碳共渗标准

渗碳渗氮、氮碳共渗标准

通俗地说，不锈钢就是不容易生锈的钢，实际上一部分不锈钢，既有不锈性，又有耐酸性（耐蚀性）。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上富铬氧化膜（钝化膜）的形成。这种不锈性和耐蚀性是相对的。试验表明，钢在大气、水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中，其耐蚀性随钢中铬含水量的增加而提高，当铬含量达到一定的百分比时，钢的耐蚀性发生突变，即从易生锈到不易生锈，从不耐蚀到耐腐蚀。不锈钢的分类方法很多。按室温下的组织结构分类，有马氏体型、奥氏体型、铁素体和双相不锈钢；按主要化学成分分类，基本上可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大系统；按用途分则有耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐海水不锈钢等等，按耐蚀类型分可分为耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、耐晶间腐蚀不锈钢等；按功能特点分类又可分为无磁不锈钢、易切削不锈钢、低温不锈钢、高强度不锈钢等等。由于不锈钢材具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中获取得广泛的应用。奥氏体不锈钢在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%~10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni 系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化。如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外，如果含有Mo、Cu等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。此类钢中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni，就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。高硅的奥氏体不锈钢浓硝酸肯有良好的耐蚀性。由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用。 铁素体不锈钢 在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量在11%~30%，具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍，有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等到元素，这类钢具导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点，因而限制了它的应用。炉外精炼技术（AOD或VOD）的应用可使碳、氮等间隙元素大大降低，因此使这类钢获得广泛应用。 奥氏体--铁素体双相不锈钢 是奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些钢还含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。 马氏体不锈钢 通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢，通俗地说，是一类可硬化的不锈钢。典型牌号为Cr13型，如2Cr13 ,3Cr13 ,4Cr13等。粹火后硬度较高，不同回火温度具有不同强韧性组合，主要用于蒸汽轮机叶片、餐具、外科手术器械。根据化学成分的差异，马氏体不锈钢可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两类。根据组织和强化机理的不同，还可分为马氏体不锈钢、马氏体和半奥氏体（或半马氏体）沉淀硬化不锈钢以及马氏体时效不锈钢等。

碳氮共渗

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。 通常共渗气氛中，氨气含量为25～35％，对于碳氧共渗炉气的控制一般采用在稳定炉气氮气的基础上控制炉气的碳势。当采用带有稀释气介质共渗时，炉内气体介质的流量每小时应为炉膛容积的6～10倍，即保证每小时换气6～10次（称换气次数）。这样在已知炉膛尺寸、共渗介质的产气量就能计算出共渗介质的需求量，制定出炉内气氛控制的工艺参数。表3是几种常用渗剂的产气量：稀释剂除了可以控制炉内气氛成分的稳定外，还可以配合废气排出孔开启的程度控制炉内的气氛压力。

渗碳渗氮的作用及氮碳共渗和碳氮共渗的区别

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。 渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性。与渗碳工艺相比，渗氮温度比较低，因而畸变小，但由于心部硬度较低，渗层也较浅，一般只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有一定耐热、耐腐蚀要求的机器零件，以及各种切削刀具、冷作和热作模具等。渗氮有多种方法，常用的是气体渗氮和离子渗氮。 气体渗氮一般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的表面硬度。它适用于38CrMoAl等渗氮钢。渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。渗氮温度低，工件畸变小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。但由于渗氮层较薄，不适于承受重载的耐磨零件。 气体参氮可采用一般渗氮法（即等温渗氮）或多段（二段、三段）渗氮法。前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。温度一般在480～520℃之间,氨气分解率为15～30%,保温时间近80小时。这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长。多段渗氮是在整个渗氮过程中按不同阶段分别采用不同

如何解决渗碳或碳氮共渗零件有效硬化深度的测试

如何解决渗碳或碳氮共渗零件有效硬化深度的测试 目前，在我国航空、航天、汽车、兵器等众多单位的零件加工和热处理工艺都涉及渗碳或碳氮共渗的问题，针对客户的需求，我司开发出半自动显微硬度测试系统，快速解决有效硬化层深度测量。 针对半自动显微硬度计测试系统FEM-7000的特点，介绍一下此系统在工厂中常用的功能，齿轮热处理方法使用碳氮共渗工艺的最多,，作到俗说的“表硬心软”，需要对渗碳的有效深度作检测。现在的标准采用硬度梯度法，大多数都采用1Kgf 载荷，看HV550时的深度值。具体做法如图示：以齿顶为基准，从表面向心部连续打多个点，分别测出各点之硬度，绘制硬度曲线 齿轮剖面示意图 硬度曲线示意图

以往通过此方法作测试时，大家普遍困难的是此工作较繁杂。一是要打多个点测硬度，二是要不断移动和记录载物台移动量，三是手工绘制曲线图。这几个环节易出的问题分别是：一测量时人为误差，二移动物台的精度，三绘图的准确性。往往做一个样品用很长时间，一天若需大量做此工作，人会很疲劳影响测试精度。而现在利用半自动测试系统(FEM-7000) 可以大大提高效率与精度。首先硬度计主机具有自动打压痕功能，第二由于采用自动载物台，可以在测试前将要测点的坐标值一次输入，仪器会自动找到设置点，位移回复精度在2 m以内，第三仪器测试后，由打印机打印一份标准报告，包括数据与曲线图，也可以利用Windows 中的Word软件自己编辑，在报告中任意插入文字、数字及图片，另外打印机还可以打印金相组织的图谱。 重点介绍半自动显微硬度测试系统的功能：FEM-7000半自动显微硬度测试系统是一台以日本F-T公司(FUTURE-TECH CORP.)生产的FM-700型显微硬度计为主机，由电脑控制的自动载物台及高分辨率的CCD图象采集游标测量装置组成的显微硬度测量系统。 该系统由三部分组成： 1. FM－700显微硬度计 2. 自动载物台及PC电脑控制器 3. 高分辨CCD图象采集装置及电脑游标测量装置和数据处理激光打印系统。 其特点分别为： 1.FM－700显微硬度计特点 FM-700显微硬度计是2000年由日本Ｆ－Ｔ公司推出的最新型显微硬度计。它是当前世界上最完善的显微硬度计，它是在原日本松泽公司MXT-α7的基础上作了重要改进的显微镜型显微硬度计。具有以下特点： 1) AUTO TURRET 物镜压头物镜自动转换。在目镜的视域里选好所要测 试的点后，按START，压头会自动旋至已选好点的位置, 自动打压痕后, 物镜再自 动旋回到原位，这时在目镜中便可观察到清晰的压痕, 再进行测量。 2) 触摸式照明LCD菜单式显示屏取代原有繁多的操作按键，操作十分方便并有ＨＶ对其 它12种标尺的自动对照转换值, 如 (ＨＫ.ＨＲＡ.ＨＲＢ.ＨＲＣ.ＨＢ.ＨＳ) 3)有内装微处理器存贮多达999个测量数据，并具有对测量数据的数理统计（最大 值、最小值、均方差、平均值、偏差）等。 4) 配接打印机可将测量结果全部打印输出。 5) 配接电脑控制的自动载物台及高分辨CCD图像采集游标测量装置可组成半自动测量 系统（参阅FEM－7000）。 6) ＦＭ－７00显微硬度计可在原有2个物镜（10倍、40倍）外，另任选配装一个物镜 （5 倍、20倍、50倍、100倍）。这样ＦＭ－７00同时也成为一台高品质的明场显微 镜。

常见材料盐浴碳氮共渗的硬度

常见材料盐浴碳氮共渗的硬度,渗层对照表 常见材料盐浴碳氮共渗的硬度，渗层对照表 材料牌号工艺表面硬度 (HV0.1) 相当于 (HRC) 化合物层厚 (μm) 总渗层厚 (mm) 08F 08Al A3(Q235) 10# 15# 570℃×90' 500-600 50-56 25-30μm>0.5mm 35# 40# 45# 40Cr 45Cr 570℃×90' 600-700 56-61 15-20μm0.3-0.5mm 35CrMo 42CrMo 50Mn 65Mn 570℃×90' 700-800 61-56 12-15μm0.3-0.4mm 38CrMoAL 570℃×90' 900-1000 67以上10-12μm0.15-0.2mm 1Cr13 2Cr13 3Cr13 1Cr17 1Cr18Ni9Ti W18Cr4V 6-5-4-2 570℃×90' 1000-1200 70以上8-12μm0.15-0.2mm H13 3Cr Cr12MoV 3Cr2W8V 570℃×90' 1000以上70以上8-12μm0.2-0.3mm QT50 QT70 QT120 灰口铸铁570℃×90' 600-700 56-61 12-15μm0.15-0.2mm 粉末冶金570℃×90' 500-600 50-56 15-20μm0.3-0.5mm 4Cr9si2 21-4N 4Cr10Si2Mo 570℃×20' 950以上67以上5-10μm0.02-0.05mm 各种氮化工艺的比较 盐浴硫碳氮共渗盐浴碳氮共渗气体软氮化气体硬氮化离子氮化耐磨性***** *** *** ***** *** 耐腐性***** **** ** ** ** 疲劳强度***** **** *** *** *** 处理时间很短短长很长长工件变形很小很小很大大一般环保性能***** *** * * **** 处理范围很广很广一般很小广性能价格比高较高一般一般一般