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钢制汽车齿轮，渗层应薄些，常在0.50mm以上。

一些原来渗碳的零件改为碳氮共渗，深度要求可适当减薄。

共渗层中的浓度梯度宜尽量平缓，以保证层深与心部良好结合，防止渗层剥落。

我们这里的碳氮共渗一般都采用880℃的温度，通入丙烷和氨气，至于去碳、氮的浓度我不清楚是如何控制的，只知道控制的是流量液体碳氮共渗(第二讲)液体碳氮共渗是采用含氰化物的盐浴作为共渗介质，利用氰化盐分解产生的活性碳、氮原子进行，也称氰化。

氰化盐通常由NaCN(KCN)、Na2CO3(K2CO3)以及NaCl(KCl)三种物质组成，其中NaCN是产生活性碳原子的来源，Na2CO3和NaCl用以控制盐浴的熔点，调节流动性。

生产中常用的液体碳氮共渗盐浴成分30％NaCN+40％Na2CO3+30NaCl。

熔点为605℃，使用温度在760~870℃之间。

加热时，NaCN与空气和盐浴中的氧作用，产生氰酸钠：2NaCN+O2→2NaCNO氰酸钠并不稳定，继续被氧化和自身分解，产生活性碳、氮原子。

2NaCNO+O2→Na2CO3+CO+2[C]4NaCNO→Na2CO3+CO+2[N]+2NaCN2CO→CO2+[C]由以上反应可以看出，盐浴的活性直接决定于NaCNO含量。

新配置的盐浴熔化后，不能立即使用，必须停留一段时间，使一部分NaCN 氧化为NaCNO。

适量的碳酸钠在盐浴中与氰化钠发生下列反应，起催化作用2NaCN+Na2CO3→2Na2O+2[C]+CO当碳酸钠含量超过限度后，将发生以下反应，生成大量二氧化碳，阻碍渗碳2NaCN+6Na2CO3→7Na2O+2[N]+5CO+3CO2因而对碳酸钠的含量必须控制。

综上所述，在使用过程中，氰化盐浴的成分是经常变化的。

要保持盐浴活性，必须定期添加新盐，更新盐浴，以调整盐浴中各组元的比例。

氰化层中的氮、碳含量随工艺温度不同而不同，温度升高，氰化层中的氮含量不断下降，而碳含量不断增加。

最常用的氰化温度为820~870℃。

低于这个温度，盐浴的流动性太差；高于这个温度，则盐浴剧烈蒸发。

因为氰化温度比较低，限制了碳氮原子的扩散速度，因而液体碳氮共渗多用于浅层，深度一般不超过0.60mm，时间不超过3h。

能够准确控制薄渗层的深度，乃是液体碳氮共渗的一大特点。

氰盐有剧毒，使用、保管必须特别注意，要有严格的安全措施。

所有设备及工件及废盐、废水必须认真进行解毒处理。

经氰化的工件，必须在5~10％Na2CO3水溶液中煮10~15min，然后在2％的沸腾磷酸溶液内中和，再在10％硫酸铜或硫酸亚铁溶液中多次洗涤，使得附着在工件表面上的氰盐全部消除。

然后再经热水洗涤，并在冷水中冲刷。

盐浴的沉淀物与清洗用的废水都需要经消毒处理，判明氰根含量符合排放标准后，方可排出车间。

为了解决氰盐的剧毒与价格昂贵的问题，国内有些单位研制了以尿素和碳酸盐为原料的无毒液体碳氮共渗剂，其反应原理如下：3(NH2)2CO+Na2CO3→2NaCNO+4NH3+2CO2其中氨气继续分解，产生氮原子；氰酸钠则分解出活性氮原子和一氧化碳。

这种盐浴成分的稳定性比较差，经常需要调整。

采用的原料虽然无毒，但反应的产物NaCN是有毒的，仍应注意消毒。

气体碳氮共渗(第三讲)气体碳氮共渗，是把含碳、氮的气体或液体有机化合物通入炉内，使其在一定温度下析出碳和氮的活性原子并渗入工件表面的工艺。

气体碳氮共渗不用氰盐，只要把一般气体渗碳设备稍加改装，便可进行共渗处理。

一．共渗介质和化学反应气体碳氮共渗使用的介质可分为两大类：一是渗碳剂加氨，另一类是含有碳氮元素的有机化合物。

1．渗碳剂加氨渗碳剂是供碳源，可用以丙烷富化的吸热式气体；氨气则是供氮源。

碳氮共渗时，将上述两种气体按比例同时通入炉罐，它们除各自发生渗碳反应和渗氮反应外，还相互作用：CH4+NH3→HCN+3H2CO+NH3→HCN+H2O新生的氰化氢(HCN)又在工件表面分解产生活性原子HCN→H2+2[C]+2[N]活性碳氮原子被工件表面吸收并向内部扩散，形成共渗表层。

调整和控制炉气的碳势与氮势，就能控制渗层质量。

2．直接滴注含有碳氮元素的有机液体，如三乙醇胺、尿素的甲醇溶液等。

三乙醇胺是一种暗黄色粘稠液体，在高温下的理论热分解反应为(C2H4OH)3N→3CO+NH3+3CH4实际反应是复杂的，热解后的气体成分随温度变化而变化。

三乙醇胺的主要缺点是粘度大、流动性差，管道容易堵塞。

为此，必须加大滴液管直径并增设冷却水套。

有的单位先将其裂化(840~860℃)，再通入工作炉；也有些单位用乙醇稀释(三乙醇胺与乙醇1：1)后使用。

尿素(NH2)2CO的甲醇溶液(最大溶解度为20%)也可以作为共渗介质，直接滴入炉内。

尿素在高温下分解出CO、H2、和[N](NH2)2CO→CO+2H2+2[N]甲醇在高温下分解产生CO和H2CH3OH→CO+2H2配置共渗溶液时，应该综合考虑液体的粘度和流动性、合理的碳氮配比等诸因素，确定溶液的混合比。

例如，某单位以三乙醇胺、甲醇及尿素的混合液为共渗剂，其成分为：三乙醇胺500ml+甲醇500 ml+尿素180g，取得了良好效果。

气体碳氮共渗的工艺参数(第四讲)共渗层的碳氮浓度和深度主要取决于共渗温度、时间和介质成分与供应量等因素：1．共渗温度共渗温度直接影响到介质的活性和碳氮原子的扩散系数，共渗速度随温度的升高而加快。

共渗温度还影响表层的碳氮浓度，渗层的含碳量随温度升高而增加，含氮量随温度的升高而下降。

高温碳氮共渗，以渗碳为主；低温碳氮共渗，以渗氮为主。

表层的碳浓度在900℃出现最大值，这是因为CO是弱渗碳剂，温度过高，活性碳原子供应不足造成的。

表层氮浓度随共渗温度上升而降低的原因有三个：一是温度愈高，氨分解速度愈快，大量的氨在与工件表面接触之前就分解完毕，减少了工件获得活性氮原子的机率；二是从状态图可知，氮在奥氏体中的溶解度于650℃随温度升高而降低；碳在奥氏体中的溶解度却随温度升高而增加，碳的存在进一步降低氮在奥氏体中的溶解度；三是随着温度升高，氮原子向内部扩散加剧，活性氮原子又供不应求，更易使表面含氮量下降。

共渗温度还影响直接淬火后表面的残余奥氏体量。

每一种钢有一个最低残余奥氏体量的对应温度。

超过这个温度，表层含碳量太高，残余奥氏体太多；低于这个温度，表层的含氮量过多，残余奥氏体也过量。

共渗温度的选择应综合考虑渗层质量、共渗速度与变形量等因素。

国内大多数工厂的碳氮共渗温度在820~860℃范围内。

温度超过900℃，渗层中含氮量太低，类似单纯渗碳，而且容易过热，工件变形较大。

温度过低，不仅速度慢，而且表层含氮量过高，容易形成脆性的高氮化合物，渗层变脆。

另外还将影响心部组织的强度和韧性。

对于某些受载不大的薄壁耐磨零件(如缝纫机零件，碾米机米筛)可以选择较低的温度，例如在750~810℃进行短时间碳氮共渗。

直接淬火后，表面能得到含氮马氏体与一定量的残余奥氏体，保证了硬度与耐磨性，并具有一定的韧性。

且因共渗温度在Ac3以下，心部保留部分铁素体，具有良好的塑性，便于校正变形。

少数零件可以采用Ac1以下碳氮共渗，经急冷淬火后表面获得一薄层含氮马氏体，心部组织保持不变，仍为铁素体+珠光体，变形最小。

2．共渗时间共渗时间主要决定于共渗温度、渗层深度和钢材成分。

渗剂的成分和流量、工件的装炉量等因素也有一定的影响。

共渗层深度与温度、时间的关系基本符合抛物线规律。

实验测得：渗层深度在0.50㎜以下时，平均共渗速度为0.20~0.30㎜/h；渗层深度为0.50~0.90㎜/h时，平均共渗速度约为0.20㎜/h，与气体渗碳相似。

实际生产中，工件出炉前必需观察试棒，检查渗层深度。

3．共渗介质的配比与供应量氨在共渗介质中所占的比例，影响渗层的碳氮浓度与组织状态。

在一定范围内加大氨量，能使表层含碳量增加。

氮的渗入能降低钢的临界点，增加了碳在奥氏体中的溶解度，加快碳原子的扩散速度，有利于碳的吸收与扩散。

但是，表面含氮量的增加是有一定限度的，这个限值与共渗温度有关。

过量的氨分解出大量的氮和氢，还会阻碍工件吸收碳。

氨在共渗介质中的比例，对共渗速度和共渗层深度也有影响。

在煤油热解气氛中通入20~40%氨气的效果最好。

低于这个比例，气氛的活性太差，共渗速度低；高于这个比例，表面形成碳氮化合物层，阻碍了碳氮原子的吸收与扩散，共渗速度下降。

综上所述，碳氮共渗时氨气所占比例应根据共渗温度、表层质量要求及渗碳介质的种类而加以合理选择。