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。

表3 几种常用渗剂的产气量
三. 实验设备及材料
实验设备：SQ5-20-10DM井式气体脉冲真空多用炉（炉膛尺寸：Φ400×700mm）实验电炉，金相显微镜，镶嵌机，硬度计
实验材料：甲醇、煤油、液氨、金相砂纸、腐蚀剂
10 、20Cr或20CrMnTi试样
四．实验步骤
1. 根据实验内容查阅资料。

2.据下列零件的技术要求选择合适的材料、加工工艺路线及热处理方法，并说
明选取的理由。

①自行车前、后轴挡：硬化层深度0.4～0.6mm，回火后表面硬度54～58HRC。

③工业缝纫机齿轮：硬化层深度0.6～0.8mm，回火后表面硬度60～64HRC，心部硬度30～40HRC。

3. 选择上述的一种零件编制详细的化学热处理工艺，通过查阅有关资料并计算出主要的工艺参数，画出工艺曲线，预测热处理后的组织。

3. 选择前述的一种零件，按照编制的工艺进行碳氮共渗操作。

4. 检测碳氮共渗工艺的结果，包括表面硬度、心部硬度、渗层深度等，并予以分析，提出改进意见。

5. 提交实验方案，在指导教师确认后，方可进实验室操作。