3.2　氣體碳氮共滲工藝及應(yīng)用

氣體碳氮共滲表面質(zhì)量易控制，操作方便，是目前應(yīng)用最為廣泛的工藝。常用的氣體碳氮共滲介質(zhì)可分為兩大類；一類是滲碳介質(zhì)中加氨，既可用于連續(xù)式作業(yè)爐，也可用于周期式作業(yè)爐；另一類是含有碳氮的有機化合物，主要用于滴注式氣體碳氮共滲。

3.2.1　氣體碳氮共滲的溫度和保溫時間

氣體碳氮共滲的溫度和保溫時間見表3.14。

3.2.2　氣體碳氮共滲介質(zhì)

氣體碳氮共滲介質(zhì)的組成、氣氛及用量見表3.16。

3.2.3　氣體碳氮共滲工藝

3.2.3.1　井式爐氣體碳氮共滲工藝

（1）滴注通氣式氣體碳氮共滲　以煤油、甲苯、二甲苯等液體烴類為滲碳氣源，通過滴量計直接滴入爐中；而氨則作為滲氮氣源經(jīng)由氨氣瓶、減壓閥、干燥器和流量計進入爐中。介質(zhì)的用量視爐子、爐溫不同而定。圖3.13系40Cr鋼制汽車齒輪的滴注通氣式中溫碳氮共滲工藝曲線。所用設(shè)備為RQ3-60，獲得滲層深度為0.25～0.4mm，表面硬度>60HRC，表層（0.1mm處）碳的質(zhì)量分數(shù)為0.8%，氮的質(zhì)量分數(shù)為0.3%～0.4%。

（2）滴注式氣體碳氮共滲　將某些同時含有碳和氮的有機液體送入爐中，或采用注射泵使液體呈霧狀噴入爐內(nèi)進行碳氮共滲。對含尿素的滲劑，為促使其溶解并增加其流動性，應(yīng)稍加熱（70～100℃）才可滴入爐中。另外，為降低成本，在裝爐后的升溫階段和共滲前期，可滴入甲醇或煤油進行排氣。圖3.14系20CrMnTi鋼轎車后橋從動齒輪的滴注式氣體碳氮共滲工藝曲線。滲層深度為1.0～1.4mm，表面硬度為58～64HRC。

（3）氣體碳氮共滲工藝及特點　一般分為排氣、共滲、降溫三個階段，工藝及特點見表3.22。圖3.15系30CrMnTi鋼拖拉機變速齒輪（m=4.5mm）的兩段式氣體碳氮共滲工藝曲線。所用設(shè)備為RQ3-35，獲得的滲層深度0.6～0.9mm，表面硬度>58HRC。

（4）氣體碳氮共滲工藝規(guī)范

①碳氮共滲用物質(zhì)的技術(shù)條件。ⅰ.共滲用的煤油應(yīng)為滲碳用煤油，共滲用的氮氣為工業(yè)用液氮。ⅱ.共滲前要檢查管路系統(tǒng)、煤油和氮氣通入共滲爐內(nèi)的管路、閥門等應(yīng)保持暢通，控制準(zhǔn)確。

②共滲件的技術(shù)條件。ⅰ.工件表面無銹斑、油污，應(yīng)經(jīng)過機械加工。ⅱ.吊掛在工裝上的工件，相互間保持一定的間隙，特別是共滲部位，應(yīng)有5～15mm的間隙，確保爐氣暢通。ⅲ.共滲用的試樣應(yīng)放置在與同爐工件碳氮共滲條件相同的位置，作為質(zhì)量檢驗的樣品，每爐至少放三根試樣，并放在不同的位置上。

③滲罐操作的注意事項。ⅰ.非連續(xù)生產(chǎn)使用的碳氮共滲爐，應(yīng)進行共滲前的滲罐工序，即將共滲爐從室溫緩慢升溫至650℃時，開風(fēng)扇排氣，可滴入少量煤油，60滴/min，通氨氣0.25m3/h，保溫1h。ⅱ.繼續(xù)升溫至850℃時，滴油量可控制在100～120滴/min，通氨氣0.5m3/h，保溫1h。觀察排氣孔火焰顏色和火苗長度，以便調(diào)整。

④工件的碳氮共滲操作的注意事項。ⅰ.滲罐結(jié)束后，開爐蓋裝入碳氮共滲工件后封爐，升溫進入排氣階段，滴油40～60滴/min，排氣0.5～1.0h。在此期間，觀察火焰是否正常，若正常，排氣階段結(jié)束，否則應(yīng)延長排氣時間。ⅱ.碳氮共滲在850℃進行，保溫2～3h，在此期間，滴油量為120～130滴/min，通氨氣0.25m3/h，觀察火焰顏色和火苗長度，及時調(diào)整滴油量。ⅲ.共滲結(jié)束后，出爐淬火，油淬到室溫控油。ⅳ.工件共滲淬火后，應(yīng)及時在（200±10）℃保溫3h，并低溫回火。

⑤碳氮共滲件的技術(shù)檢測。共滲層硬度為56～62HRC，共滲層深度≥0.18mm。

碳氮共滲通用工藝見圖3.16。

（5）井式爐氣體碳氮共滲工藝操作　其滲劑與氨的用量見表3.23；兩階段井式爐氣體碳氮共滲層深度和保溫時間的關(guān)系見表3.24；共滲時不同階段介質(zhì)的用量見表3.25；共滲時的爐氣組分見表3.26；共滲后的冷卻方式見表3.27；井式爐氣體碳氮共滲工藝操作見表3.28。

3.2.3.2　通氣式氣體碳氮共滲

它是以吸熱式氣體為載氣，添加少量滲碳氣體和氨氣進行碳氮共滲，介質(zhì)的用量應(yīng)根據(jù)其組分、爐子大小、爐溫以及爐中碳勢和氮勢而定。

（1）密封箱式爐氣體碳氮共滲工藝

①25、20Cr、20CrMnTi鋼。在密封箱式爐的氣體碳氮共滲工藝見表3.29。

②20MnCr5（20CrMn）鋼制變速箱輸入軸（其結(jié)構(gòu)見圖3.17）在密封箱式多用爐內(nèi)氣體碳氮共滲。其滲層深度0.5～0.7mm（550HV1），表面硬度690～790HV1（81～83HRA），表面組織為M+A_殘留（1～5級），心部硬度為320～450HV1。

多用爐內(nèi)飽和氣為N₂+CH₃OH，富化氣為丙烷C₃H₈，NH₃經(jīng)減壓過濾后通入爐內(nèi)。20MnCr5鋼制變速箱輸入軸在多用爐內(nèi)碳氮共滲工藝曲線見圖3.18。

（2）連續(xù)式爐氣體碳氮共滲工藝

①20CrMnTi鋼工件在連續(xù)式爐中的氣體碳氮共滲。見表3.30。

②20MnTiB鋼制變速箱齒輪在連續(xù)式電熱無罐爐中的碳氮共滲。其滲層深度為0.25～0.55mm，表面硬度為54～63HRC，表面組織為M+少量A_殘留，表面碳氮含量（質(zhì)量分數(shù)）：w（C）=0.75%～0.80%，w（N）=0.2%～0.3%。其連續(xù)式電熱無罐爐中碳氮共滲工藝見表3.31。

3.2.4　氣體碳氮共滲應(yīng)用實例及分析

（1）典型氣體碳氮共滲件實例　見表3.32，汽車變速箱二軸井式爐、汽車后減震器盤的氣體碳氮共滲工藝分別見表3.33、表3.34，自行車零件的碳氮共滲工藝見表3.35。

（2）［實例3.1］　20Cr鋼汽車變速器二軸表面氣體碳氮共滲工藝的改進　見表3.36。

（3）［實例3.2］　20Cr鋼制冷擠壓模具的氣體碳氮共滲熱處理工藝試驗研究　見表3.39。