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

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]+2NaCN

2CO→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+3H2

CO+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。