热处理原理与工艺 教学课件 作者 候旭明 第15、16、17章.docVIP

第十五章 钢的碳氮共渗与氮碳共渗 根据共渗温度不同，可将碳氮共渗分为高温（900～950℃）、中温（820~860℃）和低温（520～700℃）碳氮共渗。其中高温和中温碳氮共渗都是以渗碳为主，低温碳氮共渗则是以渗氮为主。据此，将以渗碳为主的碳氮共渗称为碳氮共渗，而将以渗氮为主的碳氮共渗称为氮碳共渗。 第一节 气体碳氮共渗 一、概述 碳氮共渗是在奥氏体状态下下，同时将碳、氮渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。生产中应用最多的是中温碳氮共渗，高温碳氮共渗生产中很少用到（故本节主要介绍前者）。 1. 与渗碳相比碳氮共渗主要具有以下特点： 1）氮的渗入降低了渗层相变温度（A1及A3点），故共渗可在较低温度下进行，并可直接淬火。 2）氮的渗入提高了渗层的淬透性，故可采用较低的淬火冷却速度。 3）在相同温度下，碳氮共渗速度大于渗碳速度。 4）硬度一般较渗碳件略高，耐磨性较渗碳件好。 2.碳氮共渗件用钢、加工路线 渗碳钢一般均可用于碳氮共渗。对于渗层较薄、承载较重的工件，常采用中碳钢或中碳合金钢。 碳氮共渗件的加工路线与渗碳件类似，只是碳氮共渗后可直接淬火，而渗碳件则需根据钢种而定。 【想一想】：为何承载较重的碳氮共渗件常采用中碳、中碳合金钢？ 二、气体碳氮共渗介质及化学反应 1.渗碳介质加氨气 用煤油或丙酮加氨气作为共渗介质，多用于滴注式井式炉或周期作业炉；吸热式气体加氨气共渗介质，多用于连续炉或生产批量较大的周期式作业炉。 使用这类介质进行共渗时的化学反应：略 2．含碳、氮的有机化合物 目前使用较多的是三乙醇胺或三乙醇胺中加入一定数量尿素的混合剂。三乙醇胺是黄褐色的有机液体，无毒，在500℃以上通过以下分解反应，产生活性碳、氮原子。 2（C2H5O）3N→4CH4+6CO+7H2+2[C]+2[N] 碳氮共渗的碳势测量方法与渗碳基本相同，可采用氧探头、红外仪或露点仪。氮势控制目前尚无成熟方法。可通过控制氨气流量或含氮有机化合物的加入量来调整氮势。 三、碳氮共渗工艺 一）工艺参数确定 1.碳氮共渗温度 生产中碳氮共渗温度一般采用820～860℃，此时，渗速中等，畸变较小，且奥氏体晶粒未粗化，渗后可直接淬火。 2.共渗时间 所以时，渗速中等，畸变较小，且奥氏体晶粒没有生产中常以共渗平均速度来估算时间。估算方法很粗略,只能作为参考，生产中还需通过检查随炉试样的渗层深度来确定工件出炉时间。共渗时间还受共渗介质及氨的供给量、工件的钢种和装炉量等因素影响。 3.渗剂供应量 氨加入量增加，使氮势提高、碳势降低，从而共渗层氮含量提高，碳含量降低，组织中易出现块状碳氮化物，使渗层脆性增大。若氨加入量太少，渗层中氮含量太低（＜0.1%）时，则渗层淬透性偏低，淬火时易出现托氏体组织。应根据工件钢种、渗层组织、性能要求及共渗温度等确定氨气加入量。 与渗剂供应量相关的另一个参数是炉气换气次数。换气次数（循环次数）是指每小时通入炉内的气体和炉子容积的比值。换气次数对炉气成分（即渗碳、渗氮能力）及维持炉压都有重要作用。采用煤油或丙酮等的换气次数一般为2.5~3.5次/h，共渗面积较大时，应取较大换气次数。采用吸热式气体时，换气次数约为6~10次/h。 二）气体碳氮共渗工艺 气体碳氮共渗对设备的要求与气体渗碳相同，只是对通氨气的碳氮共渗，需在普通渗碳炉上增设一套供氨系统（主要包括减压阀、干燥器、流量计等）。碳氮共渗前的准备工序也与渗碳类似。 1. 有机滴液+氨气的碳氮共渗 1）工艺过程 略 2)工艺实例 略 2.保护气+富化气+氨气的碳氮共渗 1）井式炉碳氮共渗工艺举例 见表15-2。 2)连续式炉碳氮共渗工艺举例 大批量工件的碳氮共渗宜采用连续式炉，生产效率高，共渗质量容易控制。20CrMnTi及20MnTiB工艺见表15-3。 3.直接滴入三乙醇胺的碳氮共渗 略 四、碳氮共渗后的热处理 共渗后一般也是淬火加低温回火，淬火一般采用直接淬火。淬火时可采用油等较缓和的冷却介质。回火温度可比渗碳稍高。 【想一想】碳氮共渗是否使整个工件的淬透性都增大？ 五、碳氮共渗层的组织与性能 1.碳氮共渗层组织 退火态的渗层组织与渗碳层组织相似。淬火后，表层组织一般为含碳、氮的针状马氏体和残余奥氏体，并有一定数量的弥散分布的碳氮化物，往里为马氏体加残余奥氏体。心部组织与钢的淬透性、冷却方式及工件尺寸等有关。 碳氮共渗组织的特点是共渗过程中形成碳氮化合物倾向较大，且淬火后渗层中残余奥氏体较多。表15-4（略）给出了几种常用钢种共渗层的最佳碳、氮含量。 2.