氮碳共渗工艺

金属材料与热处理课程氮碳共渗工艺主讲教师：马安博西安航空职业技术学院氮碳共渗工艺氮碳共渗是以渗氮为主的共渗工艺。与一般气体渗氮相比，渗层硬度低，脆性小，故也称为软氮化。早期的氮碳共渗是在液体渗氮和低温液体碳氮共渗（氰化）的基础上发展起来的，所用盐浴是剧毒的氰盐。为了提高盐浴活性而通入空气或氧气，即产生氧化过程加大氮和碳原子的活性。由于氰盐引起严重公害，又发展为加尿素为主要成分的氮碳共渗。虽然不用剧毒氰盐，但盐浴中仍有氰酸根，且使用过程中盐浴成分不稳定，因而盐浴氮碳共渗工艺的应用受到限制。20世纪70年代以后，发展了气体氮碳共渗。美国Lpson公司发展了一种使用50%NH3+50%吸热式气氛的气体软氮化方法，稍后Midland-Ross公司发展了一种使用20%NH3+80%放热式气氛的气体软氮化方法，日本发展了一种利用尿素热分解气的气体软氮化法。目前，在世界范围内，软氮化已得到广泛的应用。在国内，软氮化工艺主要是采用尿素热分解法和含碳、氮有机液体的滴入法。一、氮碳共渗原理与工艺软氮化温度一般为570土10。0时间为1~4h，介质则有不同的气体和液体介质。气体软氮化所用介质有氨气与吸热式气氛的混合气体、尿素热分解气体等。（1）使用氨气与吸热式气氛的混合气体进行气体软氮化时，氨气分解形成活性氮原子，吸热式气氛分解可提供活性碳原子。两种气体的比例为50:50、吸热式气氛的露点为0OC时，能获得最佳的渗层质量。本法易实现机械化、自动化，产品质量稳定，但设备复杂，投资较高，适于批量生产。（2）尿素热分解气体是将尿素的白色晶体粉末直接送入软氮化炉中，在500。。以上尿素发生分解得到活性氮、碳原子，即（NH2）2CO=CO+2[N]+2H2 （4-1）2CO=[C]+CO2此外，还有三乙醇胺+乙醇混合液滴注、甲酰胺滴注并通氨气等。液体软氮化例如，使用尿素:碳酸钠:氯化钾=322（质量）的盐浴，通过下述反应得到活性氮原子和碳原子。2（NH2）2CO+Na2CO^2NaCNO+2NH3+CO2+H2O（4-2）2NaCNO+O2=Na2CO3+CO+2[N]

2CO—C]+CO2二、氮碳共渗层组织性能软氮化的渗层可以分为两层:外层是化合物层，由s-Fe2-3（C,N）和/-Fe4N组成，厚度约2〜25pm；内层是扩散层，慢冷时由渗前的基体组织和高度弥散的氮化物组成，快冷时氮仍溶于基体中，无氮化物出现。对外层成分的分析表明，其碳、氮含量（质量分数）分别为1.25〜15%和8.15〜8.25%。图1是40Cr钢调质后软氮化的渗层组织，可以看出其外层为白亮氮化合物，厚约20pm；以下为扩散层，为含氮索氏体，组织较均匀，并有碳、氮原子沿晶界高速扩散的迹象。正是由于具有这样的组织特点，使软氮化表现出以下特性：软氮化可以大大提高零件的耐磨性和抗咬合、抗擦伤性能图2是15钢经几种不同处理后耐磨性的比较。软氮化后的良好耐磨性来源于其表面化合物层的组织，该组织不仅硬度高、摩擦因数小、耐磨性好，而且具有足够的韧性，因为8相中含碳而使脆性降低。尤其是这种外层组织基本上不随钢中合金元素含量而变，因此用普通碳素钢代替合金钢可得到相同效果。软氮化可大大提高零件的疲劳强度其提高的幅度与气体渗氮相

当。例如15钢软氮化后疲劳强度可提高80%。其主要原因是氮过饱和地固溶于扩散层中，引起较大残余压应力的结果，因此软氮化后必须快冷。软氮化可提高钢的抗大气和海水腐蚀的能力，这是以相为主的化合物层的贡献。由于上述特点，软氮化广泛应用于碳素结构钢、合金结构