3.2 气体碳氮共渗工艺及应用
气体碳氮共渗表面质量易控制，操作方便，是目前应用最为广泛的工艺。常用的气体碳氮共渗介质可分为两大类；一类是渗碳介质中加氨，既可用于连续式作业炉，也可用于周期式作业炉；另一类是含有碳氮的有机化合物，主要用于滴注式气体碳氮共渗。
3.2.1 气体碳氮共渗的温度和保温时间
气体碳氮共渗的温度和保温时间见表3.14。
表3.14 气体碳氮共渗的温度和保温时间
图3.9 碳氮共渗温度、时间对渗层及表面碳、氮含量的影响（渗剂：煤油+氮气）
表3.15 共渗温度对渗层表面碳、氮含量的影响
3.2.2 气体碳氮共渗介质
气体碳氮共渗介质的组成、气氛及用量见表3.16。
表3.16 气体碳氮共渗介质的组成、气氛及用量
表3.17 常用气体碳氮共渗渗剂（介质）的组成
表3.18 几种不同渗剂对碳氮共渗工艺的影响
注：1.渗层深度为0.70～0.85mm（测至1/2过渡区）。
2.渗速是按保温时间计算的。
3.碳、氮含量为表面至0.1mm深度内的平均值。
表3.19 常用的两种碳氮共渗剂的组成及特点与碳氮共渗气氛的测量和调整
图3.10 氨加入量对炉气内碳势、氮势的影响
图3.11 碳氮共渗气体中的氨量对硬度梯度的影响
图3.12 用三乙醇胺碳氮共渗时渗层中的碳、氮含量
表3.20 气体碳氮共渗时渗碳剂与氨气用量
注：1.煤油产气量按0.7m3/L计算。
2.共渗处理温度840～860℃。
表3.21 三乙醇胺在不同温度下热解后的成分
3.2.3 气体碳氮共渗工艺
3.2.3.1 井式炉气体碳氮共渗工艺
（1）滴注通气式气体碳氮共渗 以煤油、甲苯、二甲苯等液体烃类为渗碳气源，通过滴量计直接滴入炉中；而氨则作为渗氮气源经由氨气瓶、减压阀、干燥器和流量计进入炉中。介质的用量视炉子、炉温不同而定。图3.13系40Cr钢制汽车齿轮的滴注通气式中温碳氮共渗工艺曲线。所用设备为RQ3-60，获得渗层深度为0.25～0.4mm，表面硬度>60HRC，表层（0.1mm处）碳的质量分数为0.8%，氮的质量分数为0.3%～0.4%。
图3.13 滴注通气式中温碳氮共渗工艺曲线
（2）滴注式气体碳氮共渗 将某些同时含有碳和氮的有机液体送入炉中，或采用注射泵使液体呈雾状喷入炉内进行碳氮共渗。对含尿素的渗剂，为促使其溶解并增加其流动性，应稍加热（70～100℃）才可滴入炉中。另外，为降低成本，在装炉后的升温阶段和共渗前期，可滴入甲醇或煤油进行排气。图3.14系20CrMnTi钢轿车后桥从动齿轮的滴注式气体碳氮共渗工艺曲线。渗层深度为1.0～1.4mm，表面硬度为58～64HRC。
图3.14 滴注式气体碳氮共渗工艺曲线
（3）气体碳氮共渗工艺及特点 一般分为排气、共渗、降温三个阶段，工艺及特点见表3.22。图3.15系30CrMnTi钢拖拉机变速齿轮（m=4.5mm）的两段式气体碳氮共渗工艺曲线。所用设备为RQ3-35，获得的渗层深度0.6～0.9mm，表面硬度>58HRC。
表3.22 滴注式气体碳氮共渗工艺及特点
图3.15 两段式气体碳氮共渗工艺曲线
（4）气体碳氮共渗工艺规范
①碳氮共渗用物质的技术条件。ⅰ.共渗用的煤油应为渗碳用煤油，共渗用的氮气为工业用液氮。ⅱ.共渗前要检查管路系统、煤油和氮气通入共渗炉内的管路、阀门等应保持畅通，控制准确。
②共渗件的技术条件。ⅰ.工件表面无锈斑、油污，应经过机械加工。ⅱ.吊挂在工装上的工件，相互间保持一定的间隙，特别是共渗部位，应有5～15mm的间隙，确保炉气畅通。ⅲ.共渗用的试样应放置在与同炉工件碳氮共渗条件相同的位置，作为质量检验的样品，每炉至少放三根试样，并放在不同的位置上。
③渗罐操作的注意事项。ⅰ.非连续生产使用的碳氮共渗炉，应进行共渗前的渗罐工序，即将共渗炉从室温缓慢升温至650℃时，开风扇排气，可滴入少量煤油，60滴/min，通氨气0.25m3/h，保温1h。ⅱ.继续升温至850℃时，滴油量可控制在100～120滴/min，通氨气0.5m3/h，保温1h。观察排气孔火焰颜色和火苗长度，以便调整。
④工件的碳氮共渗操作的注意事项。ⅰ.渗罐结束后，开炉盖装入碳氮共渗工件后封炉，升温进入排气阶段，滴油40～60滴/min，排气0.5～1.0h。在此期间，观察火焰是否正常，若正常，排气阶段结束，否则应延长排气时间。ⅱ.碳氮共渗在850℃进行，保温2～3h，在此期间，滴油量为120～130滴/min，通氨气0.25m3/h，观察火焰颜色和火苗长度，及时调整滴油量。ⅲ.共渗结束后，出炉淬火，油淬到室温控油。ⅳ.工件共渗淬火后，应及时在（200±10）℃保温3h，并低温回火。
⑤碳氮共渗件的技术检测。共渗层硬度为56～62HRC，共渗层深度≥0.18mm。
碳氮共渗通用工艺见图3.16。
图3.16 碳氮共渗通用工艺曲线
（5）井式炉气体碳氮共渗工艺操作 其渗剂与氨的用量见表3.23；两阶段井式炉气体碳氮共渗层深度和保温时间的关系见表3.24；共渗时不同阶段介质的用量见表3.25；共渗时的炉气组分见表3.26；共渗后的冷却方式见表3.27；井式炉气体碳氮共渗工艺操作见表3.28。
表3.23 井式炉气体碳氮共渗时渗剂与氨的用量
表3.24 两阶段井式炉气体碳氮共渗层深度和保温时间的关系
注：1.用60kW井式炉气体渗碳。
2.高温时煤油110滴/min，NH31L/min；低温时，煤油70～80滴/min，NH34～5L/min。
3.工件入炉排气，煤油100～110滴/min，NH32L/min。
表3.25 井式炉气体碳氮共渗时，不同阶段介质的用量
表3.26 井式炉气体碳氮共渗时的炉气组分（体积分数） 单位：%
注：共渗20min后，取气分析；末期φ（CO2）0.4%，φ（CO）20%，φ（CH4）1.2%，φ（H2）34.2%。
表3.27 井式炉气体碳氮共渗后的冷却方式
①括弧内材料为普通碳素结构钢旧标准（GB/T 700—2006）。
表3.28 井式炉气体碳氮共渗工艺操作
3.2.3.2 通气式气体碳氮共渗
它是以吸热式气体为载气，添加少量渗碳气体和氨气进行碳氮共渗，介质的用量应根据其组分、炉子大小、炉温以及炉中碳势和氮势而定。
（1）密封箱式炉气体碳氮共渗工艺
①25、20Cr、20CrMnTi钢。在密封箱式炉的气体碳氮共渗工艺见表3.29。
表3.29 密封箱式炉气体碳氮共渗工艺
②20MnCr5（20CrMn）钢制变速箱输入轴（其结构见图3.17）在密封箱式多用炉内气体碳氮共渗。其渗层深度0.5～0.7mm（550HV1），表面硬度690～790HV1（81～83HRA），表面组织为M+A残留（1～5级），心部硬度为320～450HV1。
图3.17 20MnCr5钢制变速箱输入轴结构简图
多用炉内饱和气为N2+CH3OH，富化气为丙烷C3H8，NH3经减压过滤后通入炉内。20MnCr5钢制变速箱输入轴在多用炉内碳氮共渗工艺曲线见图3.18。
图3.18 20MnCr5钢制变速箱输入轴碳氮共渗工艺曲线（设备：SURFACE多用炉；装炉量232件）
（2）连续式炉气体碳氮共渗工艺
①20CrMnTi钢工件在连续式炉中的气体碳氮共渗。见表3.30。
表3.30 连续式炉气体碳氮共渗工艺
注：1.渗层金相组织为马氏体+残余奥氏体+少量碳化物，心部为低碳马氏体。
2.表面硬度61～62HRC，心部38～45HRC。
3.渗层碳、氮含量指距表面0.05mm之内碳、氮的平均含量。
4.炉膛容积约10m3，炉型结构与连续渗碳炉相同。
5.材料：20CrMnTi。
②20MnTiB钢制变速箱齿轮在连续式电热无罐炉中的碳氮共渗。其渗层深度为0.25～0.55mm，表面硬度为54～63HRC，表面组织为M+少量A残留，表面碳氮含量（质量分数）：w（C）=0.75%～0.80%，w（N）=0.2%～0.3%。其连续式电热无罐炉中碳氮共渗工艺见表3.31。
表3.31 连续式电热无罐炉中的碳氮共渗工艺
3.2.4 气体碳氮共渗应用实例及分析
（1）典型气体碳氮共渗件实例 见表3.32，汽车变速箱二轴井式炉、汽车后减震器盘的气体碳氮共渗工艺分别见表3.33、表3.34，自行车零件的碳氮共渗工艺见表3.35。
表3.32 典型碳氮共渗件实例
表3.33 汽车变速箱二轴井式炉气体碳氮共渗工艺
注：井式炉型号为RQ3-105-9D，每100滴煤油为3.8mL。
表3.34 汽车后减震器盘气体碳氮共渗工艺
表3.35 自行车零件碳氮共渗工艺（推杆式电加热无罐连续式炉）
注：在油中淬火，然后低温回火，硬度为80～85HRA。
（2）［实例3.1］ 20Cr钢汽车变速器二轴表面气体碳氮共渗工艺的改进 见表3.36。
表3.36 20Cr钢汽车变速器二轴表面气体碳氮共渗工艺的改进
图3.19 汽车变速器二轴零件示意图
图3.20 原碳氮共渗工艺曲线
表3.37 原工艺生产二轴的质量检测结果
图3.21 改进后的碳氮共渗工艺曲线
表3.38 采用改进工艺后变速器二轴的质量检测结果
（3）［实例3.2］ 20Cr钢制冷挤压模具的气体碳氮共渗热处理工艺试验研究 见表3.39。
表3.39 20Cr钢制冷挤压模具的气体碳氮共渗热处理工艺试验研究
图3.22 模具工作简图
1—凸模；2—凹模；3—挤压工件
图3.23 工件挤压变形图
图3.24 共渗温度对共渗层深度的影响
图3.25 共渗时间对共渗层深度的影响
图3.26 20Cr试样碳氮共渗及其后的淬火、回火工艺曲线
图3.27 20Cr碳氮共渗的金相组织（硝酸+乙酸浸蚀，250×）
图3.28 20Cr共渗层的显微硬度分布曲线