碳氮共渗层的组织与性能(4)
离子碳氮共渗
离子碳氮共渗离子碳氮共渗是一种常用的表面处理技术，可以在金属表面形成一层具有良好性能的碳氮化合物薄膜，从而提高金属的硬度、耐磨性和耐蚀性等性能。
本文将从离子碳氮共渗的原理、工艺及应用方面进行介绍。
一、离子碳氮共渗的原理离子碳氮共渗是利用离子束或离子气体对金属表面进行处理，通过碳氮元素的离子淀积和扩散，形成一层碳氮化合物薄膜。
在离子碳氮共渗过程中，金属表面的离子轰击和热扩散作用会引起金属表面的物理和化学变化，从而使金属表面形成高硬度、高耐磨和高耐蚀的碳氮化合物层。
离子碳氮共渗工艺主要包括三个步骤：准备工作、共渗处理和后处理。
1. 准备工作：包括金属基体的清洗和预处理。
金属基体的清洗是为了去除表面的油污、氧化物和其他杂质，以保证共渗过程的顺利进行。
预处理包括表面活化处理和预共渗处理，以提高共渗层与金属基体的结合强度。
2. 共渗处理：共渗处理是离子碳氮共渗的核心步骤。
在共渗过程中，通过选择合适的离子源和工艺参数，将碳离子和氮离子注入到金属基体表面，从而形成碳氮化合物薄膜。
共渗过程中的离子束轰击和热扩散作用使得金属表面发生物理和化学反应，从而形成致密的碳氮化合物层。
3. 后处理：后处理是为了消除共渗过程中产生的残余应力和改善共渗层的性能。
常用的后处理方法包括热处理、机械加工和表面处理等。
三、离子碳氮共渗的应用离子碳氮共渗技术在金属加工和表面处理领域有着广泛的应用。
主要应用于以下几个方面：1. 工具材料：离子碳氮共渗可以显著提高工具材料的硬度和耐磨性，从而延长工具寿命，提高加工效率。
常见的应用包括模具、刀具、钻头等。
2. 机械零部件：离子碳氮共渗可以提高机械零部件的表面硬度和耐磨性，从而提高零部件的使用寿命和工作性能。
常见的应用包括轴承、齿轮、凸轮等。
3. 汽车零部件：离子碳氮共渗可以提高汽车零部件的表面硬度和耐磨性，从而提高汽车的使用寿命和行驶安全性。
常见的应用包括曲轴、凸轮轴、活塞环等。
4. 刀具涂层：离子碳氮共渗可以作为刀具涂层的一种前处理方法，提高刀具涂层与基体的结合强度，从而提高刀具的使用寿命和切削性能。
中温气体碳氮共渗
中温气体碳氮共渗介绍中温气体碳氮共渗是一种常用的表面处理工艺，主要应用于金属制品的硬化和耐磨性提升。
本文将从定义、工艺流程、应用领域等方面对中温气体碳氮共渗进行全面探讨。
定义中温气体碳氮共渗是指在中温下，通过将含有碳氮成分的气体与金属表面进行接触，使碳氮元素在金属表面扩散，并与金属原子发生化学反应，从而在金属表面形成一层具有高硬度和耐磨性的化合物层。
工艺流程中温气体碳氮共渗的工艺流程通常包括以下几个步骤：1. 表面准备首先，需要对金属工件进行表面准备，包括去除表面氧化物、油污等杂质，以确保气体能够充分接触金属表面。
2. 清洁处理金属工件经过表面准备后，需要进行清洁处理，以去除表面的杂质和污染物，保证金属表面的纯净度。
3. 预处理在清洁处理后，需要对金属工件进行一些预处理，如钝化处理、活化处理等，以提高金属表面的反应性。
4. 碳氮共渗将含有碳氮成分的气体引入碳氮共渗设备中，通过控制温度、压力和时间等参数，使气体与金属工件表面进行接触和反应，从而实现碳氮的共渗。
5. 冷却处理碳氮共渗完成后，需要对金属工件进行冷却处理，以稳定共渗层的组织结构，并提高其硬度和耐磨性。
6. 后处理最后，对共渗后的金属工件进行后处理，包括清洗、除去残留气体等，以保证共渗层的质量和稳定性。
应用领域中温气体碳氮共渗广泛应用于各个行业的金属制品表面处理，主要包括以下几个方面：1. 汽车工业中温气体碳氮共渗可用于汽车发动机的活塞、曲轴、凸轮轴等零部件的表面处理，提高其硬度和耐磨性，延长使用寿命。
2. 机械制造在机械制造行业中，中温气体碳氮共渗可用于各种机械零部件的表面处理，如齿轮、轴承、滚子等，提高其硬度和耐磨性，增强其使用性能。
3. 刀具行业中温气体碳氮共渗可用于刀具的表面处理，使刀具具有更高的硬度和耐磨性，提高切削效率和使用寿命。
4. 航空航天在航空航天领域，中温气体碳氮共渗可用于发动机零部件、涡轮叶片等的表面处理，提高其耐高温和耐磨性能，提升航空发动机的性能。
渗氮 渗碳 碳氮共渗
渗氮渗碳碳氮共渗碳氮共渗是一种常见的表面处理技术，通过渗碳和渗氮来改善材料的硬度和耐磨性。
本文将对渗氮、渗碳和碳氮共渗的原理、应用和工艺进行详细介绍。
一、渗氮渗氮是将氮原子渗入材料表面形成氮化物层的过程。
氮原子通过高温处理和氮气氛的作用，渗透到材料表面并与材料中的元素反应，形成硬质氮化物层。
这一薄层氮化物层不仅能提高材料的硬度和抗磨损性能，还能改善材料的耐腐蚀性。
渗氮的主要应用领域包括机械制造、汽车工业、航空航天等。
在机械制造中，渗氮可以增加零件的硬度和耐磨性，延长使用寿命；在汽车工业中，渗氮可以提高引擎零件的耐磨性和抗腐蚀性能；在航空航天领域，渗氮可以增强航空发动机部件的耐高温和耐磨性能。
渗氮的工艺流程一般包括清洗件表面、装配件和炉内预处理、渗氮和回火处理等步骤。
渗氮一般采用封闭式和开放式两种方式进行，根据具体应用需求可以选择合适的渗氮工艺。
二、渗碳渗碳是将碳原子渗入材料表面形成碳化物层的过程。
碳原子通过高温处理和含有碳气体的氛围，渗透到材料表面并在表面与材料中的元素反应，形成硬质碳化物层。
渗碳技术不仅能提升材料的硬度和耐磨性，还可以改善材料的断裂韧性和抗腐蚀性。
渗碳广泛应用于机械零件、钢铁制品等领域。
渗碳后的材料表面硬度高、耐磨性好，适用于制作耐磨零件，如轴承、齿轮等；同时碳化层的外表面与空气隔绝，降低了材料的腐蚀速率，提高了零件的使用寿命。
渗碳的工艺流程包括预处理、渗碳、淬火和回火等。
渗碳一般采用气体渗碳和液体渗碳两种方式进行，具体工艺参数可以根据材料的要求进行选择。
三、碳氮共渗碳氮共渗是将碳原子和氮原子同时渗入材料表面形成碳氮共渗层的过程。
碳氮共渗通过碳氮共渗剂和高温处理，使碳原子和氮原子分别与材料中的元素发生反应，形成硬质碳氮化物层。
碳氮共渗能够同时获得渗碳和渗氮的特性，提高材料的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。
碳氮共渗广泛应用于汽车工业、航空航天等领域。
在汽车工业中，碳氮共渗可以提高零部件的硬度和耐磨性，同时还可以提高零部件的抗磨损能力和抗腐蚀性；在航空航天领域，碳氮共渗可以增强发动机部件的抗高温性能和抗腐蚀能力。
碳氮共渗热处理标准
碳氮共渗热处理的标准包括温度、时间、气氛和冷却方式等几个方面。
1. 温度：碳氮共渗的温度通常在820～880℃范围内。
具体温度的选择取决于钢种和零件的使用性能。
2. 时间：共渗时间根据渗层深度要求而定。
层深与时间呈抛物线规律，可以通过公式计算得到。
3. 气氛：碳氮共渗的气氛通常使用尿素作为渗剂，也可以使用其他含碳、氮的物质作为渗剂。
气氛的控制对于共渗层的组织和性能有重要影响。
4. 冷却方式：共渗后的冷却方式可以根据需要选择不同的方法，如直接淬火、分级淬火、再次加热淬火等。
冷却方式的选择会影响共渗层的组织和硬度分布。
除了以上标准外，碳氮共渗热处理还需要注意以下几点：
1. 共渗前的表面准备：在进行碳氮共渗前，需要对零件表面进行清洗、除油、除锈等处理，以保证渗剂能够均匀地渗透到表面。
2. 渗剂的选择和配比：渗剂的选择和配比会影响共渗层的组织和性能，需要根据具体要求进行选择。
3. 炉温和气氛的控制：炉温和气氛的控制是共渗过程中的关键因素，需要严格控制以保证共渗层的质量和性能。
4. 后处理：共渗后需要进行适当的后处理，如淬火、回火等，以获得所需的组织和性能。
总之，碳氮共渗热处理的标准是多方面的，需要综合考虑温度、时间、气氛、冷却方式等因素，并注意共渗前的表面准备和后处理等步骤，以获得高质量的共渗层。
钢的碳氮共渗5-4
5.4 钢的碳氮共渗1：定义：在钢的表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺称为碳氮共渗。
2：氰化：碳氮共渗可以在气体介质中进行，也可在液体介质中进行．因为液体介质的主要成分是氰盐，故液体碳氮共渗又称为氰化。
3：目的：对低碳结构钢、中碳结构钢以及不锈钢等，为了提高其表面硬度、耐磨性及疲劳强度，进行820—850℃碳氮共渗。
中碳调质钢在570—600℃温度进行碳渗共渗，可提高其耐磨性及疲劳强度，而高速钢在550—560℃碳氮共渗的目的是进一步提高其表面硬度、耐磨性及热稳定性．4：软氮化：根据共渗温度不同，可以把碳氮共渗分为高温(900—950℃)、中温(700—880℃)及低温三种。
其中低温碳氮共渗，最初在中碳钢中应用，主要是提高其耐磨性及疲劳强度，而硬度提高不多(在碳素钢中)，故又谓之软氮化。
一、碳和氮同时在钢中扩散的特点同时在钢中渗入碳和氮，如前所述，至少已是三元状态图的问题，故应以Fe-N-C三元状态图为依据。
但目前还很不完善，还不能完全根据三元状态图来进行讨论。
在这里重要讲述一些C、N二元共渗的一些特点。
1．共渗温度不同，共渗层中碳氮含量不同。
氮含量随着共渗温度的提高而降低，而碳含量则起先增加，至一定温度后反而降低。
渗剂增碳能力不同，达到最大碳含量的温度也不同。
2．碳、氮共渗时碳氮元素相互对钢中溶解度及扩散深度有影响。
由于N使y相区扩大，且Ac3点下降，因而能使钢在更低的温度增碳。
氮渗入浓度过高，在表面形成碳氮化合物相，因而氮又障碍着碳的扩散。
碳降低氮在、相中的扩散系数，所以碳减缓氮的扩散。
3．碳氮共渗过程中碳对氮的吸附有影响．碳氮共渗过程可分成两个阶段：第一阶段共渗时间较短(1—3小时)，碳和氮在钢中的渗入情况相同；若延长共渗时间，出现第二阶段，此时碳继续渗入而氮不仅不从介质中吸收，反而使渗层表面部分氮原子进入到气体介质中去，表面脱氮，分析证明，这时共渗介质成分有变化，可见是由于氮和碳在钢中相互作用的结果。
碳氮共渗
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。
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。
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。
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。
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。
渗碳与渗氮,碳氮共渗处理
固体渗碳 ;液体渗碳 ;气体渗碳---渗碳温度为900--950C,表面层w(碳)为0.8--1.2％,层深为0.5--2.0mm。
北京基耐尔热处理工艺研究所
1. 等温淬火盐
适用于钢铁材料的150～550℃的盐浴等温淬火，盐浴分级淬火，盐浴本身的流动性好，稳定性好，均匀性好，无老化，适合于连续生产线，单槽、多槽等温淬火和回火。是取代铅浴的理想工艺。...
最后修改日期：2010-03-10
2. 盐浴渗碳
也称无毒原料液体碳氮共渗，盐浴温度在720℃左右，渗层厚度可在0.08～0.3mm方便地进行控制。淬火后，工件表面形成高硬度、高强度、高抗磨性的碳氮马氏体薄层，心部仍保持高的韧...
目前专门用于渗氮的钢种是38CrMoAlA,其中铝与氮有极大的亲和力,是形成氮化物提高渗氮层强度的主要合金元素。AlN很稳定,到约1000C的温度在钢中不发生溶解。由于铝的作用使钢具有良好的渗氮性能,此钢经过渗氮表面硬度高达1100--1200HV(相当67--72HRC)。38CrMoAlA钢脱碳倾向严重,各道工序必须留有较大的加工余量。
(2)涂料法---将锡粉、铅粉、氧化铬粉以3:1:1比例混匀,用氯化锌浴液调成稀糊状涂于零件防渗表面,或用水玻璃(质量分数为10--15％)和石墨粉(质量分数为85--90％)调成糊状涂刷后,缓慢烘干。
(3)工装法----自制专用工装,把不需渗氮的部位封闭密封。
渗氮后的零件,工作表面即能获得高硬度,一般情况下不再进行其他加工,因此常是最后一道工序(氮化后的工件至多再进行精磨或研磨加工)。可得到600--1200HV的表面硬度,耐磨性很高。这一高硬度可保持引500C(长期),甚至600C(短期),疲劳极限可提高30--300％,抗蚀性能也得到提高。
中温气体碳氮共渗
中温气体碳氮共渗摘要：一、引言二、中温气体碳氮共渗的原理与方法1.碳氮共渗的作用2.中温气体碳氮共渗的特点3.中温气体碳氮共渗的工艺流程三、中温气体碳氮共渗的应用领域四、中温气体碳氮共渗技术的优势与不足五、发展趋势与展望正文：一、引言中温气体碳氮共渗作为一种先进的表面改性技术，在我国得到了广泛的关注与应用。
本文将从其原理、方法、应用领域、技术优势与不足以及发展趋势等方面进行全面阐述，以期为读者提供有关中温气体碳氮共渗技术的全面了解。
二、中温气体碳氮共渗的原理与方法1.碳氮共渗的作用碳氮共渗是一种在金属表面形成碳氮共渗层的表面处理方法。
通过在金属表面引入碳和氮元素，可以提高金属表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能。
在中温条件下进行碳氮共渗，可以获得性能优异的共渗层，满足不同领域对金属材料性能的要求。
2.中温气体碳氮共渗的特点中温气体碳氮共渗具有以下特点：（1）在中温条件下进行，降低了处理过程中的能耗，提高了生产效率。
（2）采用气体作为共渗介质，使得碳氮共渗过程更加稳定，共渗层厚度均匀。
（3）通过控制气体成分和工艺参数，可调节共渗层的性能，满足不同应用场景的需求。
3.中温气体碳氮共渗的工艺流程中温气体碳氮共渗的工艺流程主要包括：预处理、共渗处理、后处理等环节。
预处理主要包括除油、除锈、抛光等，目的是去除金属表面的污物，提高共渗效果。
共渗处理是利用气体介质，在一定的温度和压力下，使碳和氮元素渗入金属表面。
后处理主要包括退火、回火等，目的是调整共渗层的性能。
三、中温气体碳氮共渗的应用领域中温气体碳氮共渗技术广泛应用于以下领域：1.航空航天：发动机零件、轴承、齿轮等部件的表面处理。
2.汽车制造：曲轴、连杆、气门等零件的表面处理。
3.机械制造：各类轴承、齿轮、刀具等产品的表面处理。
4.石油、化工、冶金等领域：阀门、管道、容器等设备的抗腐蚀性能提升。
四、中温气体碳氮共渗技术的优势与不足1.优势：（1）提高金属表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能。
低温化学热处理方法——氮碳共渗
低温化学热处理方法——氮碳共渗氮碳共渗又叫软氮化，是钢铁在铁素体状态下低温化学热处理方法的一种。
1、氮碳共渗的原理及特点氮碳共渗是在Ｆｅ⁃Ｃ⁃Ｎ三元素共析温度以下对工件表面进行氮、碳共渗的一种表面扩散渗入处理工艺，该工艺以渗氮为主，同时也渗入少量的碳原子。
在Ｆｅ⁃Ｃ⁃Ｎ三元相图中的三元共析点为５６５⁃，此时，氮在α⁃Ｆｅ中具有最大的溶解度，故氮碳共渗的温度一般为５７０⁃左右。
氮碳共渗处理与气体氮化相比具有如下特点。
氮碳共渗处理的时间短，一般为１～４ｈ，而气体氮化长达几十小时。
氮碳共渗时，除活性氮原子外，还有活性炭原子。
钢的表面首先被碳饱和并形成超显微的碳化物，这种碳化物作为触媒剂促进了氮的渗入，当表面ε相形成后，ε相中又可溶解较多的碳，所以渗碳和渗氮相互促进，从而渗速加快。
氮碳共渗化合物层中除含氮外，还含有少量的碳，由于ε相中含有碳，使得化合物的脆性降低，因此氮碳共渗形成的白亮层一般脆性较小。
气体渗氮一般只适用于特殊的氮化钢，而氮碳共渗不受被处理材料的限制，可广泛用于碳素钢、合金钢、铸铁等。
2、氮碳共渗层组织钢铁工件的氮碳共渗层组织由表及里依次为Ｆｅ２～３Ｎ，Ｆｅ３Ｎ和Ｆｅ４Ｎ构成的化合物层（如是合金钢，还有Ｃｒ、Ｗ、Ｖ、Ａｌ、Ｍｏ等合金氮化物）和扩散层（主要是氮在α⁃Ｆｅ中的固溶体）。
碳钢氮碳共渗后的组织由白亮的化合物层和暗黑色的扩散层组成。
化合物层主要为ε相和γ′相。
合金钢氮碳共渗后，表面也得到由ε相和γ′相组成的白亮化合物层。
3、氮碳共渗层性能（1）共渗层硬度氮碳共渗显著提高工件表面硬度及耐磨性，与调质、感应淬火相比较，磨损失重分别降低１～２个数量级。
（2）共渗层的抗疲劳性能氮碳共渗后的疲劳强度高于渗碳或碳氮共渗淬火以及感应淬火。
低、中碳钢可提高４０％～８０％；合金结构钢提高２５％～３５％；不锈钢提高３０％～４０％；灰铸铁提高２０％左右，见下图。
▲氮碳共渗处理使疲劳强度提高的情况（球墨铸铁）最近采取在氮碳共渗后高频淬火的复合热处理工艺。
碳氮共渗渗层深度和硬度检测方法
碳氮共渗渗层深度和硬度检测方法一、碳氮共渗渗层深度检测方法。
1.1 金相法。
这金相法啊，可是检测碳氮共渗渗层深度的一个老法子了。
咱先得把渗碳氮处理后的工件取样，这取样可得讲究，要取到能代表整体情况的部位。
然后进行磨制、抛光，把试样表面弄得光溜溜的，就像给它做个美容似的。
接着用合适的腐蚀剂进行腐蚀，让渗层的组织能清楚地显示出来。
最后在金相显微镜下观察，从表面量到渗层与基体组织的分界处，这距离就是渗层深度啦。
这方法就像给渗层做个透视检查，清清楚楚的。
1.2 硬度法。
硬度法也不简单呢。
它是利用渗层和基体硬度不同这个特点来检测的。
一般来说，我们会从工件表面开始，沿着垂直方向用硬度计打点测量硬度。
随着深度增加，硬度会发生变化，当硬度值达到某个界限，这个界限就相当于渗层和基体的区分点了。
这就好比我们在土里挖宝藏，挖到硬度不一样的地方，就知道宝藏的边界了。
不过这方法需要多测几个点，取个平均值，避免误差，可不能像“瞎猫碰死耗子”那样随便测一下就了事。
二、碳氮共渗渗层硬度检测方法。
2.1 洛氏硬度检测。
洛氏硬度检测那可是常用的手段。
先把工件放在硬度计的工作台上，固定好。
然后根据渗层的大概硬度范围选择合适的洛氏硬度标尺。
这就像选武器一样，得选个合适的才能准确打击。
检测的时候，压头压入渗层表面，硬度计就能显示出硬度值了。
不过这洛氏硬度检测也有它的局限性，对于一些薄的渗层或者形状特殊的工件，可能就不太好操作了，就像“巧妇难为无米之炊”，条件不合适就不好办了。
2.2 维氏硬度检测。
维氏硬度检测也是个得力的方法。
它的压头是金刚石正四棱锥体，压入渗层后形成一个正方形的压痕。
通过测量压痕对角线的长度，再根据公式就能算出硬度值。
这种方法的优点是可以检测比较薄的渗层，精度也比较高。
但是呢，检测过程相对繁琐一点，就像绣花一样，得仔仔细细的，不能马虎。
2.3 显微硬度检测。
显微硬度检测那可是个精细活。
它主要用于检测渗层微观区域的硬度。
调质渗碳碳氮共渗
调质渗碳碳氮共渗
调质渗碳碳氮共渗是一种常见的表面处理技术，它在提高材料的硬度和耐磨性上有着重要的作用。
本文将介绍调质渗碳碳氮共渗的原理、应用以及优缺点。
调质是一种通过加热和快速冷却来改变材料的组织结构和性能的方法。
而渗碳碳氮共渗是在材料表面加入一层含有碳和氮的元素，通过固溶和沉淀来提高材料的硬度和耐磨性。
调质渗碳碳氮共渗的原理是：将待处理的材料放入含有碳和氮的气体环境中，在高温下进行处理。
碳和氮会渗透到材料表面，并与材料中的元素发生化学反应。
这种反应会改变材料的组织结构，形成一层硬度更高的表面层。
调质渗碳碳氮共渗在许多领域有广泛的应用。
首先，在汽车工业中，它可以用来提高发动机和传动系统的耐磨性，延长使用寿命。
其次，在机械制造业中，它可以用来加工刀具、轴承等零部件，提
高其硬度和耐磨性。
此外，在航空航天领域，调质渗碳碳氮共渗可以用来制造高强度的飞机零部件，提高其耐久性。
调质渗碳碳氮共渗的优点在于它不仅可以提高材料的硬度和耐磨性，而且处理过程简单、成本较低。
此外，由于只是处理材料表面，所以不会影响材料的整体性能，保持了材料的韧性和强度。
然而，调质渗碳碳氮共渗也存在一些缺点。
首先，处理后的材料表面会形成一层较脆的硬化层，对冲击和拉伸等力学性能的影响不大。
其次，处理过程中需要高温环境，这对于某些材料来说可能会导致变形和晶粒长大。
综上所述，调质渗碳碳氮共渗是一项重要的表面处理技术，可以提高材料的硬度和耐磨性。
它在汽车、机械制造和航空航天等领域有着广泛的应用。
然而，我们也需要注意其缺点，合理选择适合的材料和处理条件。
42CrMo调质钢碳氮共渗组织及性能研究
Metallurgical Engineering 冶金工程, 2015, 2, 57-63Published Online June 2015 in Hans. /journal/meng/10.12677/meng.2015.22009Study of Microstructure and Properties onQuenched and Tempered 42CrMo Steel after CarbonitridingLe Wang, Xiaoxi Wang*, Hao Xu, Zhuang Liu, Feifei Zhang, Fangxu ChenSchool of Mechanical & Electrical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou JiangsuEmail: wl931227@, *wxx19851109@Received: May 13th, 2015; accepted: May 29th, 2015; published: Jun. 5th, 2015Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/AbstractUsing carbonitriding process, the processing of quenched and tempered 42CrMo steel surface was strengthened, and the effect of its microstructure change on mechanical properties was investi-gated. The results show that, after carbonitriding process, a carbonitride layer of 0.14 mm is pro-duced on the workpiece surface; core is transformed into cryptocrystalline martensite and ferrite;material organization has been further refined; the surface hardness of quenched and tempered 42CrMo steel is 650 HV; the yield strength is 1120 MPa; and the impact toughness can reach 84 J/cm2. The experimental results show that after carbonitriding heat treatment of the pin, quenched and tempered 42CrMo steel has better tenacity, and the product quality is improved.KeywordsQuenched and Tempered 42CrMo Steel, Carbonitriding, Microstructure and Properties42CrMo调质钢碳氮共渗组织及性能研究王乐，王晓溪*，徐昊，刘壮，张飞飞，陈方旭徐州工程学院机电工程学院，江苏徐州Email: wl931227@, *wxx19851109@*通讯作者。
热处理知识——渗碳和渗氮
热处理知识——渗碳与渗氮热处理在机械制造业中占有举足轻重的作用，作为机械从业人员，自身要具备较为全面的热处理知识，这对于我们的日常工作尤为重要。
首先我们先简要介绍热处理的目的及分类，本文重点掌握渗碳和渗氮这两种方式。
.热处理的目的：消除毛坯(如铸件/锻件)中的组织缺陷，消除半成品或焊接件残余应力，改善零部件工艺性能，最主要的是热处理能够提高材料的力学性能，满足其在各种应用场合的功能和寿命要求。
热处理的分类：常用的热处理可分为如下三大类:1、普通热处理（正火、退火、淬火、回火。
也就是我们常说的“四把火”）2、表面淬火（感应淬火、火焰淬火、激光淬火）3、化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗）对于热处理，大家可以这样来简化描述：都是由加热、保温、冷却三个阶段组成。
不同热处理方法区别就在于这三个阶段，加热方式，加热温度或者加热的速度不同；保温方式，保温环境或者保温时间不同等；冷却的速度及冷却的环境不同等。
进入正文，主要介绍渗碳和渗氮渗碳定义：把零部件置于渗碳介质中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间，使碳原子渗入钢表层的化学热处理工艺。
目的：使零件表面具有高硬度、耐磨及疲劳极限，心部具有较高的强度和韧性。
常用钢种：含碳量0.1%-0.25%的碳钢或合金（即低碳钢和低碳合金钢）渗碳方法：常用的气体渗碳法：工件置于密闭的加热炉中，滴入煤油、丙酮、甲苯等在高温（900-950°C）下分解出CO、CO2、CH4等，气体再分解出活性碳原子，随后活性碳原子溶于高温奥氏体中，随着时间进行，碳原子逐渐向内扩散，深度主要取决于保温时间，可大约按0.2mm/h的速度近似计算。
关键技术点：1）表面含碳量最好在0.85%-1.05%内，若含碳量过低，淬火、低温回火后得到的回火马氏体，含碳量较低，硬度低，耐磨性差。
2）在一定的渗碳层深度范围内，随渗碳层深度的增加，疲劳极限、抗弯强度及耐磨性都将增加，但渗碳层深度超过一定限度后，疲劳极限反随着渗碳层深度的增加而降低。
碳氮共渗技术的研究与应用
Ｃ Ｈ ［ ］ Ｈ ０ Ｏ＋ ２ ｃ ＋ ２
Ｃ ４ ［ ］＋ Ｈ Ｈ一 Ｃ ２ ２
试验 有效硬化层 表面硬度 心部硬度 碳 化 物 马 氏体 残 留 炉 次 度／ ｌ Ｈ Ｃ 深 ｉ ｆ ｍ Ｒ ＨＲ Ｃ Ｋ Ｍ 奥氏体
ｌ ２ ３ ４ ０２ ． Ｏ． ２ ０． ２
栏目 主持
李 华翔
ｍ ｍ Ｉ热 处 理
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碳 氮 共 渗 技 术 的 研 究 与 应 用
大连亚明汽车部件股份有 限公 司 （ 辽宁 １６ ４ ） 付继业 １０ １ 皮志勇 于淑珍
【 摘要 】 本文对碳氮共渗技术进行 了研究与应用，并对其机理进行 了分析。通过将工件在炉内共渗对
的关 键是将零 件在渗碳 内用 很短 的时 间就能得 到很薄 的 碳 氮共渗层 ，工件经淬 火后 能够 获得 良好 的金 相组 织。 渗层 中分 布着 碳 氮的化 合物 ，提 高 了工 件的 内在质 量 ， 进而提 高了工 件的性能 和使用 寿命。
，
９Ｏ ０ ７ ０ ５
８ ０±ｌ ８ ０
４ 强 水 ０ 排 渗＼淬 气
髫０ ５ ０
２ ０ ５
ａｎ ｒｉ ｉ； ｎ＼ ４ｆ ０ ｍ
Ｏ７ ．％ Ｏ５ ．％ １１ ． ０５ ．％ 碳 势 氮 势
１ ．试验方法
试验采用加速踏板支架及杠 杆总成 的加速杠 杆销子
时间 ／ ｎ ｍｉ ８０ ０ ～ １０ ６ ～ １０ ６ ℃ 乙醇和尿素 ｌ０ ６ ℃ １Ｏ ℃ ８ 饱和溶液 Ｏ Ｏ ｌＯ ８ 油 （ ／ ｎ ６ ～ｌＯ ’煤 滴 ｍｉ
部硬度 ３ ０—３ Ｈ Ｃ，金 相组织 符 合 Ｑ ／ ６ － １９ ５Ｒ Ｃ Ｔ２ ２ ９ ９金 相渗层碳 标 准。设 备 为 Ｒ ２ ５ 一 Ｄ滴 注式 气体 渗碳 Ｑ ＿３ ＿ ９
碳氮共渗的好处
碳氮共渗渗层深度有限,对于大型渗碳齿轮等必须渗层有一定深度.对于国外有的标准不让用碳氮共渗,我不是太清楚,我猜的不要见笑:是不是碳氮共渗脆性大
－－－－－－－－－－－摘自 小乐 热处理学徒工
蕉桔梨萝柚 2009-03-03 06:48
但我曾见过一家美国企业的标准，对驱动桥齿轮明确规定不允许碳氮共渗?
曾看过一篇资料，谁写的搞忘了。主题是碳氮共渗齿轮层深可比渗碳齿轮减薄30~40%，但碳氮共渗齿轮的弯曲疲劳极限仍高于渗碳齿轮，还可节火软化能力高于渗碳齿轮，但我曾见过一家美国企业的标准，对驱动桥齿轮明确规定不允许碳氮共渗。
－－－－－－－－－－－摘自 霜月 热处理工程师
XLNuFort 2009-03-03 06:48
渗碳与碳氮共渗的区别一般可以这么理解:
1.碳氮共渗的淬硬性比渗碳好.硬度也略高， 耐磨性明显好得多.而且大多数碳素钢淬火油冷也能淬硬.
2.碳,氮原子的渗入，使碳氮共渗淬火后的零件抗回火的性能提高.可在较高温度里回火.
救世穷人 2009-03-03 06:48
SSrQcAEw 2009-03-03 06:49
渗碳层深超过1.5mm不用碳氮共渗？目前用有效硬化层深来控制硬化效果，那么最高的硬化层深是多少呢？1.2？1.3？
hcpiENsc 2009-03-03 06:49
碳氮共渗是使奥氏体化后溶入碳氮元素，得到耐磨的硬化层，碳氮共渗温度705~900（渗碳为850~950），时间比渗碳短，得到的硬化层通常比渗碳薄。
有错之处请指正。
(3)易于直接淬火，工件不易变形。
(4)氮原子的渗入还会增加渗层的淬透性，可用普通碳钢代替合金钢。
(5)氮原子的渗入又可使奥氏体稳定性有所提高，所以采用冷却能力较弱的介质，可减少工件变形与开裂。
低温氮碳共渗的优点
低温氮碳共渗的优点
1. 提高材料硬度：低温氮碳共渗可以在材料表面形成一层由氮和碳组成的固溶体，这可以显著提高材料的硬度和耐磨性，使其更加耐用。
2. 增加材料的表面附着力：低温氮碳共渗可以在材料表面形成氮化物和碳化物的薄膜层，这可以增加材料与其他材料（如润滑剂、涂层等）的粘附性，提高材料的表面附着力。
3. 提高材料的抗氧化性：低温氮碳共渗可以在材料表面形成一层由氮和碳组成的致密层，这可以防止材料表面被氧化，从而提高材料的抗氧化性能。
4. 提高材料的耐腐蚀性：低温氮碳共渗可以在材料表面形成一层致密的氮化物和碳化物薄膜层，这可以有效地防止腐蚀介质对材料的侵蚀，提高材料的耐腐蚀性。
综上所述，低温氮碳共渗具有提高材料硬度、增加表面附着力、提高抗氧化性和耐腐蚀性的优点。
这使得它在许多领域中得到广泛应用，如汽车工业、航空航天、机械制造等。
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。
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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
物存在。
（有学者用电子显微镜对新打断断口进行了观察研究得到的结论）。
3.3 黑带：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。
4“三黑”形成机理：（仅抛光后不浸蚀观察到的三黑情况）
4.1 【分子N2析出观点】：N在A中达到一定活度后，析出分子N2形成黑洞，渗层中【N】含量不应超过0.3-0.5%，说以一般教科书和资料都推荐含氮量0.15-0.25%。
渗层中C+N总量要＜1.0%，否则，容易出现黑洞。
4.2 黑色组织是各种复杂氧化物（夹杂物）在制样中脱落形成了沿晶分布黑网。
４.３【H2分子学说】：【H】能在低温下析出、聚集H2而形成空洞；【H】能在600-700℃左右促进钢中溶解的【Ｎ】的析出和｛氨化｝并形成孔洞。
有学者利用脆性断口研究了黑色组织的形态，避免在断口打断时空洞的形貌被扭曲和伤害。
结果表明，气体Ｃ－Ｎ共渗中黑色组织实际上是气体形成的沿晶小空洞，不是氧化物或石墨化在晶界形成和脱落后留下的残孔。
5.共渗层的组织缺陷
黑色组织是气体碳氮共渗极易出现的一种缺陷。
根据它们的形状与分布状态，有黑点、黑网和黑带之分。
严重的黑色组织显著降低零件的表面硬度、接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，造成早期磨损，降低零件的使用寿命。
黑点又称黑色斑点状组织，在抛光未经腐蚀的试样上呈斑点状，位于表层0.10mm以内。
氮势很高的气氛中碳氮共渗时，容易形成这种缺陷。
目前一般认为，黑色斑点组织主要由大小不等的孔洞所组成，某些孔洞中可能存在石墨与氧化物夹杂。
有人对形成机理做这样的解释：共渗初期形成的高氮ε相（因温度低、氮势高所致），于高温长时间停留而逐渐分解，转变为含氮较低的渗碳体Fe3（C、N）。
这一过程中析出的过剩氮原子互相结合成分子，聚集于高氮相（比容大）转变为低氮相（比容小）因体积收缩而留下的显微孔洞后，形成合金元素及铁的氮化物，CH4则可能分解析出石墨。
降低氨的通入量和提高共渗温度，可以减轻黑色孔洞的形成趋势。
在浸蚀后的金相试样上观察到黑网和黑带，主要是由屈氏体、贝氏体等非马氏体组织构成的，有时在共渗层内呈带状，有时沿着奥氏体晶界呈网状，有时出现在粒状化合物的周围。
造成这类组织缺陷的原因很多：有可能是共渗温度低，炉气活性差，表面碳氮含量不足，奥氏体不够稳定；也可能是缓慢冷却或淬火加热过程中发生表面脱碳或脱氮；还可能是碳氮化合物的析出，使附近奥氏体中合金元素与碳氮浓度明显下降。
上述因素降低了相应部位过冷奥氏体的稳定性，提高了临界
淬火速度，形成了非马氏体组织。
造成黑网和黑带的另一个重要原因是合金元素的内氧化。
所谓内氧化，就是氧原子在钢材内层与合金元素化合，发生的氧化反应。
使合金元素内氧化的气氛不外是二氧化碳，氧气和水蒸气。
一定成分的炉气，对铁而言是还原性和渗碳性的；而对那些与氧亲和力强的合金元素而言，则可能是氧化性的。
这样，在生产条件下，就可能同时出现工件的渗碳与合金元素的内氧化。
碳氮共渗过程中，氧原子在工件表面聚集，并沿着奥氏体晶界向内层扩散，而合金元素原子则由内层向表面沿晶界扩散，与氧结合，形成合金元素的氧化物。
合金元素与氧的亲和力是不同的，在碳氮共渗温度下（如860℃）从大到小的顺序可排列为Al、Ti、Si、V、Mn、Cr、Fe、Mo、W、Co、Ni、Cu。
铬锰钛钢进行碳氮共渗时容易出现内氧化，其内因即在于此。
合金元素的内氧化，贫化周围奥氏体中的合金元素含量，降低奥氏体的稳定性，而氧化物又促进扩散型转变的非自发成核。
油冷淬火时，这部分合金元素贫化了的奥氏体转变为极细珠光体与贝氏体等非马氏体组织。
实践证明，碳氮共渗的内氧化倾向较气体渗碳大，这可能与共渗气氛的氧势较高有关。
碳氮共渗氧势较高的原因是：
①碳氮共渗的温度比渗碳低，煤油热解不完全，产气量少，排气速度慢，炉内氧化性气体的消失速度也慢，氧势较高；
②液氨中经常存在一定水分，当氨气干燥不充分时，水分被带入炉内；
③氨气在炉内会与一氧化碳、二氧化碳及氧气发生化学反应，生成水蒸气，进一步提高炉内氧势，促进内氧化。
实验证明，随着供氨量增加，特别在排气阶段，将使炉内氧势升高，内氧化加剧。
从选材考虑，含钼钢种发生内氧化的倾向较小。
在工艺方面，可以适当提高共渗温度（如850℃以上），充分干燥氨气，控制排气阶段的供氨量，或采用甲醇（乙醇）和氨共同排气等措施，都有利于内氧化。