离子渗氮与碳氮共渗的工艺比较

吉林建龙钢铁公司技术中心（磐石市 132301）　张建华

　　某厂有一台真空离子渗氮炉，利用率比较高，对一些汽车、起重机械的齿轮和齿圈等进行渗氮效果较好，适用钢种也比较多，比如：Q235、20、45、40Cr、12CrMoV和35CrMo和38CrMoAI等。对一些小模数、中小尺寸的渗氮件能使其表面硬度、强度、耐磨性和耐疲劳性能显著提高。但其缺点是生产周期较长，渗层较薄，对大中型尺寸的工件不能进行处理。

　　为适应生产需要，我们将一台旧的井式回火炉改造成了一台气体渗氮炉，并开发了气体碳氮共渗工艺，取得了良好效果。在此基础上，我们又对离子渗氮和气体碳氮共渗进行了比较，得出了一些有益的结论。

　　1.工艺试验

　　首先，我们用20钢初步渗碳，渗层0.5mm（包括过渡层）与没有进行渗碳的同种钢进行碳氮共渗比较，看碳在渗氮过程中所起的作用。同时用40Cr、38CrMoAI钢进行同种工艺比较，以进一步探索碳氮共渗的特点。

　　试验温度为560-580℃，采用氨气、煤油加少量丙酮作稀释剂。制备四组试样分别用离子炉和共渗炉以4h和12h做渗层结果分析（见图1、图2）。颜色从左至右分别为20钢预渗碳、20钢、40Cr和38CrMoAI；横坐标1、2分别是4h离子渗氮和碳氮共渗；3、4分别是12h离子渗氮和碳氮共渗。从图中可以看出，20钢和少量渗过碳的20钢比较，其表面富碳降低了碳氮共渗的渗层，但对硬度影响较小，表面渗碳后，虽经长时间的渗氮或碳氮共渗，其渗层都比直接渗要浅，而相应的表面硬度也略低，就其金相分析而言，硬度不应有太大差别，只是由于渗层减薄后所引起的硬层减薄。

　　另一方面，对于低碳钢而言，相同的试验条件，气氛中碳势略增加，其碳氮共渗的渗层和硬度会高于较低碳势的试验结果。

　　2.应用效果

　　经过改造和试验，我们用碳氮共渗来处理一些大中型工件，取得了与离子渗氮相近的效果。对受冲击力不大的中小模数齿轮能获得良好的表面硬度、耐磨性和抗腐蚀性，满足了生产的需要。而低碳钢在合适的碳势气氛中进行碳氮共渗，由于其温度较低，不需淬火处理，会保留工件良好的综合力学性能，在工业生产中有广阔的应用前景。

　　3.探讨

　　为什么碳氮共渗在较高碳势下效果较好，而对表面先渗过一部分碳的钢其效果反而不好呢？

　　由钢的渗氮机理得知，渗氮的过程是由吸附形核和扩散两个过程所组成。渗氮的速度总是取决于两个步骤中速度较慢的那一个。一般来说渗氮早期，其主要过程在近表面，渗氮速度主要由吸附形核来控制，而随着渗层厚度的增加，一般认为在0.mm1以上时，渗氮过程主要由扩散速度控制。在渗氮初期，气氛中的碳能促进氮基的介稳定相 ε相形核，提高早期渗速，有利于氮的渗入，并形成较复杂的化合物。而基体中渗入了一定量的碳原子，由于碳的原子占据了铁原子的间隙，而共渗温度又较低，碳很难扩散，从而阻碍了氮原子的进入，降低了氮的渗速，使渗层减薄。这也是碳氮共渗与单纯渗碳的根体区别所在。

来源：《机械工人.热加工》