氮碳共渗工艺

职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库

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

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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±10C，时间为1~4h，介质则有不同的气体和液体介质。

1. 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0C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，

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在500C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。 2. 液体软氮化 例如，使用尿素:碳酸钠:氯化钾＝3:2:2（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＋Na2CO3 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-Fe2-3(C,N)和-Fe4N组成，厚度约2~25m；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20 m；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：

1. 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 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。

2. 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

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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。

3. 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、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、不锈钢、铸铁、粉末冶金材料等。但软氮化渗层较薄，不宜在重载条件下工作。

失重/mg 0.6 0.8 未处理

0.2 渗碳 软氮化 0 20μm 1 2 运转时间/h

3 4 图1 40Cr钢调质后 软氮化的渗层组织

图2 15钢经几种不同处理后

耐磨性的比较

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