碳氮共滲的案例
碳氮共滲黑色組織的產(chǎn)生及防止
自攻螺釘碳氮共滲黑色組織的產(chǎn)生及防止[J]. 金屬熱處理, 2000(4):3.
筆記86：GCr15鋼過飽和碳氮共滲工藝
今天分享GCr15鋼過飽和碳氮共滲工藝及應(yīng)用研究。
筆記89：GCr15鋼制軸承氣體碳氮共滲組織及性能的變化
今天繼續(xù)分享GCr15鋼氣體碳氮共滲工藝。
筆記87：GCr15鋼噴油嘴碳氮共滲工藝探討
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筆記88：GCr15鋼制柴油機噴油嘴碳氮共滲的研究
今天繼續(xù)跟大家學習GCr15鋼制柴油機噴油嘴碳氮共滲的研究。
汽車變速器齒輪軸熱處理優(yōu)化分析
堆垛方式：
正火曲線：
碳氮共滲與淬火回火：采用煤油與氨氣作為共滲介質(zhì)，20CrMnTi共滲溫度一般為860～880℃，故取870℃作為共滲溫度，有資料指出最終滲層厚度在0.5～0.9mm時滲速在0.2mm/h，滲層深度按要求為x=0.8mm，則計算所得共滲時間為：4h，共滲設(shè)備：RQ3-35-9，額定溫度950℃，功率35kw。共滲完成后直接出爐油淬，為了獲得所需性能，淬火后需要進行200℃回火2h，回火設(shè)備：RJ2-36-6，額定溫度650℃，功率36kw。
其中碳氮共滲時氨氣所占比例應(yīng)控制在40%，氨氣供量0.1m3/h，煤油滴量為35滴/min。
共滲及淬火回火曲線：
展開 鋼的表面化學熱處理集錦
根據(jù)共滲溫度不同，碳氮共滲可分為高溫（900～950℃）、中溫（700～880℃）及低溫（500～570℃）三種。目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的是中溫和低溫氣體碳、氮共滲。其中低溫氣體碳、碳共滲主要是提高耐磨性及疲勞強度，而硬度提高不多，故又稱為軟氮化，多用于工模具。中溫氣體碳、氮共滲多用于結(jié)構(gòu)零件。
中溫氣體碳、氮共滲是將鋼件放入密封爐內(nèi)，加熱到820～860℃，并向爐內(nèi)通入煤油或滲碳氣體，同時通入氨氣。在高溫下共滲劑分解形成活性碳原子［C］和氮原子［N］被工件表面吸收并向內(nèi)層擴散，形成一定深度的碳氮共滲層。在一定的共滲溫度下，保溫時間主要取決于要求的滲層深度。一般零件的滲層深度為0.5～0.8mm，共滲保溫時間約為4～6h。由于氮的滲入，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，所以鋼件碳、氮共滲后可直接油淬，滲層組織為細針狀馬氏體加碳、氮化合物和少量殘余奧氏體。淬火后鋼件應(yīng)進行低溫回火。鋼件碳、氮共滲后可同時兼有滲碳和滲氮的優(yōu)點。
低溫氣體碳、氮共滲是以滲氮為主的碳、氮共滲過程。當氮和碳原子同時滲入鋼中時，很快在表面形成很多細小的含氮滲碳體Fe3CN，這些碳、氮化合物就是鐵的氮化物的形成核心，從而加快了滲氮過程，縮短了軟氮化的時間。低溫碳、氮共滲所用的滲劑一般采用吸熱式氣氛和氨氣混合氣，也有用尿素、甲酰胺、三乙醇胺以及醇類加氨氣。共滲層的表面硬度比純氣體滲氮稍低，但仍具有較高的硬度、耐磨性和高的疲勞強度。低溫碳氮共滲加熱溫度低、處理時間短、鋼件變形小，又不受鋼種限制，適用于碳鋼、合金鋼和鑄鐵材料。可用于處理各種工模具以及一些軸類零件。
（五）鋼的滲硼
用活性硼原子滲入鋼件表層并形成鐵的硼化物的化學熱處理工藝稱為滲硼。滲硼能顯著提高鋼件的表面硬度（1300～2000HV）和耐磨性，同時具有良好的耐熱性和抗蝕性。
根據(jù)使用的滲硼介質(zhì)，滲硼方法有固體滲硼、液體滲硼和氣體滲硼。
展開 高強度汽車齒輪表面強化技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（一）
2.2.4 碳氮共滲
碳氮共滲熱處理，通過有效掌握氮濃度和加氮的時間節(jié)點就能較好提高齒輪強度和耐磨性，采用碳氮共滲熱處理法，有利于殘余奧氏體含量的調(diào)整抑制初期疲勞裂紋向深處發(fā)展。傳統(tǒng)的滲碳淬火鋼(20CrMoH)的滲碳異常層厚度約為15~20 μm左右，采用碳氮共滲處理法的滲碳異常層厚度只有其1/2。
碳氮共滲能有效提高滲層深度、細化奧氏體晶粒、減小齒輪變形、提高齒輪強度和耐磨性能。汽車用自動變速器滲碳齒輪嚙合的齒面工作實際瞬間溫度約達250~270 ℃，高于常用回火溫度范圍150~200 ℃，較高嚙合溫度將導致齒面硬度下降，易產(chǎn)生疲勞點蝕現(xiàn)象。采用碳氮共滲工藝，通過調(diào)整滲氮量，提高抗回火性能，抗回火溫度達到300 ℃左右。圖10所示為應(yīng)用碳氮共滲工藝研究了氮含量對SCR420H鋼和鋼種C在170 ℃與300 ℃時齒面硬度的影響。
圖 10 氮含量與齒輪表面硬度關(guān)系
抗齒輪彎曲疲勞表面強化技術(shù)
3.1 齒輪基礎(chǔ)實驗
日本、德國在齒輪的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域做了大量研究。鋼輥(Steel roller)試驗是國外大學與研究機構(gòu)齒輪基礎(chǔ)實驗研究普遍采用的方法，取得了大量的實驗數(shù)據(jù)和研究成果。例如，日本應(yīng)用鋼輥試驗進行齒輪粗糙度和模擬加工缺陷對接觸疲勞壽命影響的研究。
表3所示為幾種不同鋼材的鋼輥表面粗糙度(表中A：JIS S48C，鍛造材料；B：JIS S48C，延壓材料；C：JIS S50C，延壓材料)。圖11所示為鋼輥試件的形狀和尺寸示意圖。
圖 11 鋼輥試件的形狀尺寸
圖12所示為不同表面粗糙度齒輪材料鋼輥試件的最大赫茲接觸應(yīng)力與疲勞循環(huán)次數(shù)關(guān)系。
展開 熱處理匯總（焊接必收）
退火annealing：將亞共析鋼工件加熱至AC3以上20—40度，保溫一段時間后，隨爐緩慢冷卻（或埋在砂中或石灰中冷卻）至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝。
固溶熱處理：將合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中，然后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。
時效：合金經(jīng)固溶熱處理或冷塑性形變后，在室溫放置或稍高于室溫保持時，其性能隨時間而變化的現(xiàn)象。
固溶處理：使合金中各種相充分溶解，強化固溶體并提高韌性及抗蝕性能，消除應(yīng)力與軟化，以便繼續(xù)加工成型。
時效處理：在強化相析出的溫度加熱并保溫，使強化相沉淀析出，得以硬化，提高強度。
淬火：將鋼奧氏體化后以適當?shù)睦鋮s速度冷卻，使工件在橫截面內(nèi)全部或一定的范圍內(nèi)發(fā)生馬氏體等不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。
回火：將經(jīng)過淬火的工件加熱到臨界點AC1以下的適當溫度保持一定時間，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝。
鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程。習慣上碳氮共滲又稱為氰化，以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲（即氣體軟氮化）應(yīng)用較為廣泛。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度，耐磨性和疲勞強度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。
調(diào)質(zhì)處理（quenching and tempering）：一般習慣將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體組織，它的機械性能均比相同硬度的正火索氏體組織更優(yōu)。它的硬度取決于高溫回火溫度并與鋼的回火穩(wěn)定性和工件截面尺寸有關(guān)，一般在HB200—350之間。
釬焊：用釬料將兩種工件加熱融化粘合在一起的熱處理工藝。
展開 模具表面強化處理方法介紹
表面強化處理方法很多,主要有滲碳、滲氮、滲硫、滲硼、氮碳共滲、滲金屬等。采用不同的表面強化處理工藝,可使模具使用壽命提高幾倍甚至于幾十倍,近幾年又出現(xiàn)了一些表面強化工藝,本文著重四個方面介紹,供同行參考。
1.離子滲氮,為了提高模具的抗蝕性、耐磨性、抗熱疲勞和防粘附性能,可采用離子滲氮。離子滲氮的突出優(yōu)點是顯著地縮短了滲氮時間,可通過不同氣體組份調(diào)節(jié)控制滲層組織,降低了滲氮層的表面脆性,變形小,滲層硬度分布曲線較平穩(wěn),不易產(chǎn)生剝落和熱疲勞。可滲的基體材料比氣體滲氮廣,無毒,不會爆炸,生產(chǎn)安全,但對形狀復雜模具,難以獲得均勻的加熱和均勻的滲層,且滲層較淺,過渡層較陡,溫度測定及溫度均勻性仍有待于解決。
離子滲氮溫度以450~520℃為宜,經(jīng)處理6~9h后,滲氮層深約0.2~0.3mm。溫度過低,滲層太薄;溫度過高,則表層易出現(xiàn)疏松層,降低抗粘模能力。離子滲氮其滲層厚度以0.2~0.3mm為宜。磨損后的離子滲氮模具,經(jīng)修復和再次離子滲氮后,可投入使用,從而可大大地提高模具的總使用壽命。
2.氮碳共滲,氮碳共滲工藝溫度較低(560~570℃),變形量小,經(jīng)處理的模具鋼表面硬度高達900~1000HV,耐磨性好,耐蝕性強,有較高的高溫硬度,可用于壓鑄模、冷鐓模、冷擠模、熱擠模、高速鍛模及塑料模,分別可提高使用壽命1~9倍。但氣體氮碳共滲后常發(fā)生變形,膨脹量占化合物厚度的25%左右,不宜用于精密模具。處理前必經(jīng)去退火和消除殘余。
例如:Cr12MoV鋼制鋼板彈簧孔沖孔凹模,經(jīng)氣體氮碳共滲和鹽浴滲釩處理后,可使模具壽命提高3倍。又如:60Si2鋼制冷鐓螺釘沖頭,采用預先滲氮、短時碳氮共滲、直接淬油、低溫淬火及較高溫度回火處理工藝,可改善心部韌性,提高冷鐓沖頭壽命2倍以上。
展開 齒輪軸探傷缺陷顯示原因分析
裂紋附近的顯微硬度明顯高于相同位置的非裂紋區(qū)，裂紋兩側(cè)的顯微組織中殘留奧氏體量有所增多等表明，裂紋兩側(cè)有增碳增氮現(xiàn)象。
齒輪軸的最終熱處理工序安排為：碳氮共滲→高溫回火→機加工→淬火→負溫時效→正溫時效→吹砂→精加工。工藝路線中未安排校直工序，但在高溫回火工序后要求檢測 “各外圓跳動≤0.1mm”。經(jīng)了解，現(xiàn)場生產(chǎn)中，碳氮共滲+回火后會有個別零件外圓跳動較大，超出公差要求，加工者會挑出來對其進行校直。若校直過程控制不當，會在三點彎曲校直時拉應(yīng)力最大的下半方外圓上產(chǎn)生裂紋。單從三點彎曲校直的受力來分析，裂紋不應(yīng)沿著軸向開裂。但是由圖5b和圖7可見，裂紋源區(qū)過渡不夠圓滑，加工刀痕粗糙。改變了零件表面的應(yīng)力分布。加之滲碳層組織的變形能力較差，就在應(yīng)力較大齒根端角處形成了較細小的裂紋。在隨后的淬火工序，為防止原滲碳層表面脫碳，淬火在碳勢約為0.88%的保護性氣氛中保溫約1h，此過程會使已形成的校直裂紋兩側(cè)有輕微的滲入現(xiàn)象，導致裂紋兩側(cè)的硬度和顯微組織發(fā)生了改變。因此，該批產(chǎn)品內(nèi)少量零件上探傷顯示的缺陷為校直裂紋。
針對以上問題，我們對熱處理工藝進行了細化，要求在淬火前操作者對來件的外圓跳動進行分檢。跳動超差嚴重的直接報廢，輕微的進行校直。所有經(jīng)過校直的零件必須進行去應(yīng)力退火和磁粉探傷，防止校直缺陷件流出，取得了良好成效。
6.結(jié)語
（1）齒輪軸磁粉探傷顯示由裂紋引起，裂紋的性質(zhì)為沿晶脆性裂紋。
（2）齒輪軸裂紋的產(chǎn)生，是因為個別零件碳氮共滲后變形超差，增加了校直工序。而由于校直過程控制不當，所以產(chǎn)生了應(yīng)力裂紋。
展開 
一文看懂金屬顯微結(jié)構(gòu)分析（轉(zhuǎn)自材易通）
應(yīng)用范圍：
滲碳、滲氮、脫碳、碳氮共滲等表面處理鋼件，經(jīng)感應(yīng)淬火的鋼件。
測試步驟：
取樣→清洗→鑲嵌→研磨→拋光→微蝕→觀察
參考標準：
ASTM E1077-2014
評估鋼樣品脫碳層深度的試驗方法
GB/T 11354-2005
鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗
GB/T 224-2008
鋼的脫碳層深度測定法
GB/T 5617-2005
鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定
GB/T 9095-2008
燒結(jié)鐵基材料滲碳或碳氮共滲硬化層深度的測定及其驗證
GB/T 9450-2005
鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核
GB/T 9451-2005
鋼件薄表面總硬化層深度或有效硬化層深度的測定
ISO 2639-2002
鋼.滲碳層和硬化層深度的測定和檢驗
ISO 3887-2003
鋼.脫碳層的測定
ISO 4507-2000
滲碳或碳氮共滲的燒結(jié)鐵基材料 用微硬度試驗測定和驗證硬化層的深度
QC/T 29018-1991
汽車碳氮共滲齒輪金相檢驗
典型圖片：
展開 提高螺栓連接強度幾點措施
碳氮共滲、氮化、噴丸處理都能提高螺栓疲勞強度。
熱處理發(fā)展歷程及應(yīng)用
燃燒爐的廢熱利用已達到很高的程度，燃燒器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和空—燃比的嚴格控制保證了合理燃燒的前提下，使NOX和CO降低到最低限度；使用氣體滲碳、碳氮共滲及真空熱處理技術(shù)替代鹽浴處理以減少廢鹽及含CN-有毒物對水源的污染；采用水溶性合成淬火油代替部分淬火油，采用生物可降解植物油代替部分礦物油以減少油污染。
(2)精密熱處理
精密熱處理有兩方面的含義：一方面是根據(jù)零件的使用要求、材料、結(jié)構(gòu)尺寸，利用物理冶金知識及先進的計算機模擬和檢測技術(shù)，優(yōu)化工藝參數(shù)，達到所需的性能或最大限度地發(fā)揮材料的潛力；另一方面是充分保證優(yōu)化工藝的穩(wěn)定性，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量分散度很小(或為零)及熱處理畸變?yōu)榱恪?(3)節(jié)能熱處理
科學的生產(chǎn)和能源管理是能源有效利用的最有潛力的因素，建立專業(yè)熱處理廠以保證滿負荷生產(chǎn)、充分發(fā)揮設(shè)備能力是科學管理的選擇。在熱處理能源結(jié)構(gòu)方面，優(yōu)先選擇一次能源；充分利用廢熱、余熱；采用耗能低、周期短的工藝代替周期長、耗能大的工藝等。
(4)少無氧化熱處理
由采用保護氣氛加熱替代氧化氣氛加熱到精確控制碳勢、氮勢的可控氣氛加熱，熱處理后零件的性能得到提高，熱處理缺陷如脫碳、裂紋等大大減少，熱處理后的精加工留量減少，提高了材料的利用率和機加工效率。真空加熱氣淬、真空或低壓滲碳、滲氮、氮碳共滲及滲硼等可明顯改善質(zhì)量、減少畸變、提高壽命。
熱處理技術(shù)應(yīng)用效果
(1)擴大了GCr15鋼應(yīng)用范圍
一般地GCr15鋼M淬火時套圈有效壁厚在12mm以下，但BL淬火時由于硝鹽冷卻能力強，若采用攪拌、串動、加水等措施，套圈有效壁厚可擴大至28mm左右。
展開 塑料模具熱處理的特點
滲碳層的含碳量為0.7%～1.0%為佳。若采用碳、氮共滲，則耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化、防粘性就更好。
3、滲碳溫度一般在900～920℃，復雜型腔的小型模具可取840～860℃中溫碳氮共滲。滲碳保溫時間為5～10h，具體應(yīng)根據(jù)對滲層厚度的要求來選擇。滲碳工藝以采用分級滲碳工藝為宜，即高溫階段(900～920℃)以快速將碳滲入零件表層為主;中溫階段(820～840℃)以增加滲碳層厚度為主，這樣在滲碳層內(nèi)建立均勻合理的碳濃度梯度分布，便于直接淬火。
4、滲碳后的淬火工藝按鋼種不同，滲碳后可分別采用：重新加熱淬火;分級滲碳后直接淬火(如合金滲碳鋼);中溫碳氮共滲后直接淬火(如用工業(yè)純鐵或低碳鋼冷擠壓成形的小型精密模具);滲碳后空冷淬火(如高合金滲碳鋼制造的大、中型模具)。
(二)淬硬鋼塑料模的熱處理
1、形狀比較復雜的模具，在粗加工以后即進行熱處理，然后進行精加工，才能保證熱處理時變形最小，對于精密模具，變形應(yīng)小于0.05%。
2、塑料模型腔表面要求十分嚴格，因此在淬火加熱過程中要確保型腔表面不氧化、不脫碳、不侵蝕、不過熱等。應(yīng)在保護氣氛爐中或在嚴格脫氧后的鹽浴爐中加熱，若采用普通箱式電阻爐加熱，應(yīng)在模腔面上涂保護劑，同時要控制加熱速度，冷卻時應(yīng)選擇比較緩和的冷卻介質(zhì)，控制冷卻速度，以避免在淬火過程中產(chǎn)生變形、開裂而報廢。一般以熱浴淬火為佳，也可采用預冷淬火的方式。
3、淬火后應(yīng)及時回火，回火溫度要高于模具的工作溫度，回火時間應(yīng)充分，長短視模具材料和斷面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。
(三)預硬鋼塑料模的熱處理
1、預硬鋼是以預硬態(tài)供貨的，一般不需熱處理，但有時需進行改鍛，改鍛后的模坯必須進行熱處理。
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