关于碳氮共渗的工艺设计问题

孤鸿踏雪

关于碳氮问题的讨论话题，论坛里已经有过不少类似帖子，但始终未见到对碳氮共渗工艺设计（或编制）方面的系统论述，发此帖的目的主要是希望大家交流一下对各种设备碳氮共渗工艺设计的理论依据或经验；当然，也欢迎与此相关的经验交流。希望大家踊跃发帖，广泛交流。以达到“奇文共欣赏，疑义相与析”而活跃论坛学术气氛最终达到资源共享的目的！

热海求针

接触碳氮共渗有五年了，我们现在使用的碳氮共渗有两种。连续炉（四区），丙烷（液化气）是渗碳剂，氨气是渗氮剂，C.P值（碳势）设定是0.9~1.15；氨气流量是0.8m3/h。两种气体是同时导入的，出来后硬度HRA78~82，有效硬化层深0.7~1.0。多用炉生产时，是先渗碳后渗氮，渗碳时C.P值是0.9~1.15（主要看渗层要求），渗氮时氨气流量是0.8m3/h。根据我的经历，氨气流量在0.5以上就可以满足渗氮要求（只针对我们的零件，材质16Mn).还有渗碳、渗氮分开渗时，温度是不一样的（我们渗氮温度在830~840度，渗碳温度在900~930度）.......

刘武乐

版主提的问题涉及企业的核心技术，很多人不敢把自己的东西拿出来估计是这个帖子出现一言堂的原因，碳氮共渗目前还是比较先进的热处理工艺

197971500

我们用的是老炉子，老工艺；井式渗碳炉；
      920度渗碳煤油每分钟180滴，30分钟，降温至880度，滴入三乙醇胺与甲醇的混合液，每分钟150滴，煤油每分钟40-50滴，共渗1小时，降温至860度（降温时继续滴三乙醇胺与甲醇的混合液），直接淬火。材料 20CRMNTI，HRC60--64,渗层0.5--0.6.表层组织渗碳马氏体加氮化物。

孤鸿踏雪

这个帖子在这里睡了二十天的大觉，居然无人唤醒它。
     不知何故，这个帖子无人感兴趣。但据了解，坛内不少朋友都在使用此工艺，而且，在不同的设备上均取得了一定的成效。
     为了使此帖引起大家关注，从即日起，我将陆续整理一些资料，断断续续，先“抛给”大家，与大家分享十分有限的资源。同时，也希望坛内有识之士广泛参与交流和讨论，使坛内各位同道均有一定收获，真正达到资源共享的目的。

孤鸿踏雪

钢的碳氮共渗（第一讲）
        碳氮共渗是碳氮原子同时渗入工件表面的一种化学热处理工艺。最早，碳氮共渗是在含氰根的盐浴中进行的，故此又称氰化。渗碳与渗氮相结合的的工艺，具有如下特点：
        1．氮的渗入降低了钢的临界点。氮是扩大γ相区的合金元素，降低了渗层的相变温度A1与A3，碳氮共渗可以在比较低的温度进行，温度不易过热，便于直接淬火，淬火变形小，热处理设备的寿命长。
        2．氮的渗入增加了共渗层过冷奥氏体的稳定性，降低了临界淬火速度。采用比渗碳淬火缓和的冷却方式就足以形成马氏体，减少了变形开裂的倾向，淬透性差的钢制成的零件也能得到足够的淬火硬度。
        3．碳氮同时渗入，加大了它的扩散系数。840~860℃共渗时，碳在奥氏体中的扩散速度几乎等于或大于930℃渗碳时的扩散速度。
        共渗层比渗碳具有较高的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度；比渗氮零件具有较高的抗压强度和较低的表面脆性。
        按使用介质不同，碳氮共渗分为固体、液体、气体三种。固体碳氮共渗与固体渗碳相似，经常采用30~40％黄血盐，10％碳酸铵和50~60％木炭为渗剂。这种方法的生产效率低，劳动条件差，目前很少使用。液体碳氮共渗以氰盐为原料，历史悠久，质量容易控制，但氰盐有剧毒，且价格昂贵，使用受到限制。气体碳氮共渗的发展最快。
        按共渗温度，碳氮共渗一般分为低温（500~560℃）、中温（780~850℃）和高温~880~950℃）三种。前者以渗氮为主，现在已定义为氮碳共渗，后两者以渗碳为主。习惯上所说的碳氮共渗，主要指中温气体氮碳共渗。
        碳氮共渗零件的机械性能同渗层表面的碳氮浓度、渗层深度与浓度梯度有关。
        共渗层的碳氮浓度必须严格控制，含量过低，不能获得高的强度、硬度与理想的残余应力，影响耐磨性与疲劳强度。反之，则不仅表层出现大量不均匀的块状碳氮化合物，脆性增加；而且会使淬火后残余奥氏体量剧增，影响表面硬度和疲劳强度。
        一般推荐最佳的碳、氮浓度分别为0.70~0.95％C和0.25~0.40％N。对于少数在高接触应力下工作的合金钢零件，当要求表面具有较多均匀分布的碳氮化合物颗粒时，表面含碳量可达1.20~1.50％，甚至2~3％，含氮量仍在0.50％以下。
        共渗层的深度应该与工件服役条件和钢材成分相适应。心部的含碳量较高或工件的承载能力较低时，如纺织机钢令圈、40Cr钢制汽车齿轮，渗层应薄些，常在0.50mm以上。一些原来渗碳的零件改为碳氮共渗，深度要求可适当减薄。
        共渗层中的浓度梯度宜尽量平缓，以保证层深与心部良好结合，防止渗层剥落。

junjingli123

我们这里的碳氮共渗一般都采用880℃的温度，通入丙烷和氨气，至于去碳、氮的浓度我不清楚是如何控制的，只知道控制的是流量

孤鸿踏雪

4# junjingli123
     首先感谢你关注此帖，并积极参与讨论。
     请问你们碳氮共渗的丙烷和氨气的配气比例是如何设计的？具体讲，你们采用的设备型号？丙烷和氨气流量？

rechuli2001

我们公司今年也准备搞碳氮共渗，关注中。。。。。

孤鸿踏雪

1—1液体碳氮共渗（第二讲）
    液体碳氮共渗是采用含氰化物的盐浴作为共渗介质，利用氰化盐分解产生的活性碳、氮原子进行，也称氰化。
    氰化盐通常由NaCN（KCN）、Na2CO3（K2CO3）以及NaCl（KCl）三种物质组成，其中NaCN是产生活性碳原子的来源，Na2CO3和NaCl用以控制盐浴的熔点，调节流动性。生产中常用的液体碳氮共渗盐浴成分30％NaCN+40％Na2CO3+30NaCl。熔点为605℃，使用温度在760~870℃之间。
    加热时，NaCN与空气和盐浴中的氧作用，产生氰酸钠：
                                 2NaCN+O2→2NaCNO
    氰酸钠并不稳定，继续被氧化和自身分解，产生活性碳、氮原子。
                             2NaCNO+ O2→Na2CO3+CO+2【C】
                          4NaCNO→Na2CO3+CO+2【N】+2NaCN
                                        2CO→CO2+【C】
    由以上反应可以看出，盐浴的活性直接决定于NaCNO含量。新配置的盐浴熔化后，不能立即使用，必须停留一段时间，使一部分NaCN氧化为NaCNO。
    适量的碳酸钠在盐浴中与氰化钠发生下列反应，起催化作用
                         2NaCN+Na2CO3→2Na2O+2【C】+CO
    当碳酸钠含量超过限度后，将发生以下反应，生成大量二氧化碳，阻碍渗碳
                     2NaCN+6Na2CO3→7Na2O+2【N】+5CO+3CO2
    因而对碳酸钠的含量必须控制。
    综上所述，在使用过程中，氰化盐浴的成分是经常变化的。要保持盐浴活性，必须定期添加新盐，更新盐浴，以调整盐浴中各组元的比例。
    氰化层中的氮、碳含量随工艺温度不同而不同，温度升高，氰化层中的氮含量不断下降，而碳含量不断增加。最常用的氰化温度为820~870℃。低于这个温度，盐浴的流动性太差；高于这个温度，则盐浴剧烈蒸发。
   
    其中氨气继续分解，产生氮原子；氰酸钠则分解出活性氮原子和一氧化碳。这种盐浴成分的稳定性比较差，经常需要调整。采用的原料虽然无毒，但反应的产物NaCN是有毒的，仍应注意消毒。

孤鸿踏雪

1—2气体碳氮共渗（第三讲）
     气体碳氮共渗，是把含碳、氮的气体或液体有机化合物通入炉内，使其在一定温度下析出碳和氮的活性原子并渗入工件表面的工艺。气体碳氮共渗不用氰盐，只要把一般气体渗碳设备稍加改装，便可进行共渗处理。
     一．共渗介质和化学反应
     气体碳氮共渗使用的介质可分为两大类：一是渗碳剂加氨，另一类是含有碳氮元素的有机化合物。
     1．渗碳剂加氨  渗碳剂是供碳源，可用以丙烷富化的吸热式气体；氨气则是供氮源。碳氮共渗时，将上述 两种气体按比例同时通入炉罐，它们除各自发生渗碳反应和渗氮反应外，还相互作用：
                                      CH4+NH3→HCN+3H2
                                      CO+NH3→HCN+H2O
     流动性、合理的碳氮配比等诸因素，确定溶液的混合比。例如，某单位以三乙醇胺、甲醇及尿素的混合液为共渗剂，其成分为：三乙醇胺500ml+甲醇500 ml+尿素180g，取得了良好效果。

孤鸿踏雪

二．气体碳氮共渗的工艺参数（第四讲）
    共渗层的碳氮浓度和深度主要取决于共渗温度、时间和介质成分与供应量等因素：
    1．共渗温度  共渗温度直接影响到介质的活性和碳氮原子的扩散系数，共渗速度随温度的升高而加快。
    共渗温度还影响表层的碳氮浓度，渗层的含碳量随温度升高而增加，含氮量随温度的升高而下降。高温碳氮共渗，以渗碳为主；低温碳氮共渗，以渗氮为主。表层的碳浓度在900℃出现最大值，这是因为CO是弱渗碳剂，温度过高，活性碳原子供应不足造成的。
    表层氮浓度随共渗温度上升而降低的原因有三个：一是温度愈高，氨分解速度愈快，大量的氨在与工件表面接触之前就分解完毕
     2．共渗时间  共渗时间主要决定于共渗温度、渗层深度和钢材成分。渗剂的成分和流量、工件的装炉量等因素也有一定的影响。
     共渗层深度与温度、时间的关系基本符合抛物线规律。实验测得：渗层深度在0.50㎜以下时，平均共渗速度为0.20~0.30㎜/h；渗层深度为0.50~0.90㎜/h时，平均共渗速度约为0.20㎜/h，与气体渗碳相似。实际生产中，工件出炉前必需观察试棒，检查渗层深度。
     3．共渗介质的配比与供应量  氨在共渗介质中所占的比例，影响渗层的碳氮浓度与组织状态。在一定范围内加大氨量，能使表层含碳量增加。氮的渗入能降低钢的临界点，增加了碳在奥氏体中的溶解度，加快碳原子的扩散速度，有利于碳的吸收与扩散。但是，表面含氮量的增加是有一定限度的，这个限值与共渗温度有关。过量的氨分解出大量的氮和氢，还会阻碍工件吸收碳。
     
     4．碳氮共渗后的热处理  碳氮共渗后的热处理和渗碳后的热处理极为相似，都要接着淬火和低温回火使之强化。共渗处理的温度与正常淬火的温度很相似，一般零件可以直接淬火。为了减少表层的残余奥氏体数量，有些零件采用预冷淬火，预冷温度应该避免心部出现大块铁素体。某些零件共渗处理后还要进行机械加工，则共渗后缓冷，机加工后重新加热淬火。缓冷和再次淬火加热时必须防止工件表面脱碳和脱氮。
     

孤鸿踏雪

三．碳氮共渗气氛的可控性（第五讲）
    要控制碳氮共渗的质量，必须控制炉内气体的碳势和氮势。由于共渗时渗碳气氛与渗氮气氛相互作用，必须研究它们彼此之间的影响。
    1．渗碳气对氮势控制的影响  炉气氮势可以通过定期分析钢箔试样的含氮量而测得，也可通过测定炉气中H2和残留NH3的含量进行连续控制。由于碳氮共渗炉气中残留的氨量极微（200~600ppm），生产中常用含氢量控制氮势。
    渗碳气氛的碳势对于共渗炉气的氮势是有影响的。当温度与供氨量一定时，工件含氮量随气氛的碳势增加而减少。降低炉气的碳势，将使氮势升高。不过，在氨气添加量小于5％的吸热式气氛中，炉气碳势对氮势的影响很不明显。
    2．氨对碳势控制的影响  和渗碳一样，CO2含量仍然是控制共渗气氛碳势的参数。但是，必须考虑氨气对气氛碳势的影响很不明显。
   

孤鸿踏雪

没想到这个帖子搞成了一言堂，我知道目前有不少企业搞碳氮共渗，但却无人参与此帖的讨论，实在让人感到纳闷。

jxtufei

楼主写这帖子费了心思，不过内容太长了，一下子看不完，只能慢慢欣赏。
我也做C-N公审，设备是IPSEN多用炉，采用的是丙酮+氨气，目前的措施是控制氨气流量在固定的范围内，但是理论方面的知识感觉太缺乏了，得常充电。
关于炉气中的成分含量检测这块一直没有相关的方法，希望能得到专家的指导。
另外氨气流量的大小对实际产品加工有何影响，有没有方法和仪器进行鉴定呢？
写的有点乱。。。

孤鸿踏雪

12# jxtufei
     首先感谢你关注此帖！
     请问你现在用易普森多用炉做碳氮共渗，氨气流量控制在什么范围？当初设定这个流量的依据是什么？丙酮滴量是多少？这两个渗剂的供应量应与炉膛容积有关？请问你的设备炉膛容积多少？

motion_0576

1  LZ在第一讲中提及880-950℃渗碳中通氨进行C-N共渗，在实际的气氛炉（真空C-N共渗除外）中很少采用，主要是温度超过880℃后【N】的溶入量减少，实际效果与渗碳区别不大，因此，传统高温C-N共渗工艺没有实际工程意义。
2  现在新兴的低压真空C-N共渗工艺温度可以在900-950℃温度下进行，但供【N】气氛一般不用NH3，而直接用N2来实现。与传统C-N共渗工艺还是有区别的。
3  井式炉或者多用炉一般供NH3量为0.08-0.12m3/h即可。
4  需要注意的是现在多用炉渗碳后期淬火前通入40min左右的NH3的目的主要是为了减少“非马”层深，与传统的中温C-N共渗本质是有区别的。

80後书生

我们的氮化件的氮化温度只要在520℃和580℃之间

孤鸿踏雪

14#  motion-0576
     感谢您参与此帖讨论，看你的回帖受益匪浅。
     您说的“井式炉或者多用炉一般供NH3量为0.08-0.12m3/h即可”，不论炉子（炉膛）大小都是这个供气量吗？

357895590

回复 3# 孤鸿踏雪


    我是生产操作工，在操作中怎样才能做到梯度尽量平缓。在就是氮势如何测定，氨气选择什么阶段开始供应（开始升温、恒温、还是降温阶段）。我们用840-860度。

孤鸿踏雪

16#楼 357895590
     感谢你关注此帖，其实碳氮共渗我在这里也是纸上谈兵，主要是为了抛砖引玉。在这方面坛内nsh、jqrcl和2009119先生有一定经验，但遗憾的是未见三位朋友参与此帖交流。
     希望你先看看14#motion-0576的帖子，同时也希望上述三位朋友参与解答。

motion_0576

回复15#孤鸿踏雪：
1  首先感谢指出不妥之处，供氨量和炉膛体积有关。
2  对于井式炉或者多用炉一般供NH3量为5-10%气体总量即可。但这里需要说明的是如果用“滴注法+NH3”的工艺，气体总量是指：裂解后的气体量，而不是炉膛体积。

孤鸿踏雪

18#楼 motion-0576
     再次感谢你参与此帖交流和讨论。去年，我的多个讨论帖都得到了你的大力支持，你的跟答帖很有分量，为我的讨论帖增加了不少光彩，今后还望经常光顾惠赐！