碳氮共渗常见缺陷分析与对策

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内氧化：
因氧原子渗入金属内层与合金元素发生内氧化和沿晶界形成氧化物。在显微镜下观察到黑网为氧化物网，经硝酸酒精溶液浸蚀后扩大部分为极细珠光体与贝氏体组织，有细小粒状 C·N化合物，属非马氏体组织。共渗过程中，氧原子在钢件表面聚集并沿奥氏体晶界向内层扩散，而合金元素则由晶粒内向晶界及内层沿表层扩散，在表层与奥氏体晶界结合，形成合金元素氧化物。一般含Cr、Mn、元素合金钢较易出现内氧化，贫化了周围奥氏体中合金元素含量，降低奥氏体稳定性，淬火时转变为极细珠光体与贝氏体，为非马氏体组织，降低硬度、耐磨性及综合力学性能。
对策→碳氮共渗不宜用传统产气量小的煤油排气，应选用产气量大的甲醇排气；充分干燥 NH3气，排除H2O和适当提高共渗温度；若有足够磨量，可进行表面喷丸处理去除表面内氧化层和选用二次精炼含 W、M0、V、Co合金钢等措施，能有效防止和避免内氧化。

残余奥氏体量过多：
钢淬火冷却时过冷奥氏体转变成淬火马氏体，有小部分过冷奥氏体(残余奥氏体)不能转变为马氏体，与常温下与马氏体共存；淬火马氏体经不同温度回火后转变为不同回火组织，达到所需组织性能。残余奥氏体在回火过程中可部分转变为马氏体，但材料和工艺不同或共渗时 C·N含量过高和淬火加热温度偏高，渗后冷速过快，致使 碳氮化合物析出量不够，均会导致残余奥氏体过量保留在使用状态中，降低硬度、耐磨性、疲劳强度、屈服强度、弹性极限和引起组织性能不够稳定。因此，易导致在使用状态下发生组织转变与体积膨胀，发生参数变化，引起畸变。为此，必须严格控制淬火残余奥氏体含量，过量残余奥氏体应采取相应措施消除。
对策→控制碳氮含量，一般含质量分数为 0.75％ -0.95％，含氮的质量分数为0.15％-0.35％为宜。碳氮共渗保温后出炉温度不宜过高，适当降低淬火温度。因合金钢含有大量降低马氏体点的合金元素，过高淬火加热温度会使钢中碳和合金元素大量潜入高温奥氏体中,奥氏体合金化程度高，增加奥氏体稳定性，使过冷奥氏体不易发生马氏体相变。或淬火后经短时低温回火，接着进入零下60－180℃冷处理，实质是淬火继续，促使残余奥氏体较充分转变为马氏体．温度愈低，转变量愈多，使钢的组织性能稳定，增加硬度、耐磨性与力学性能。

表面脱碳与氧化：
钢件表面脱碳因氧化作用使钢件表面碳量减少现象。当氧化速度比碳向金属外层扩散速度小时则发生脱碳；反之，氧化速度比碳向金属外层扩散速度大时则产生氧化，形成氧化铁皮。引起脱碳原因：C·N共渗时炉内压力不正常，当压力过低时发生炉外空气进入炉内，或炉罐密封不严等原因造成。当炉内含有氧、CO2 、 H2O等氧化性物质与钢中铁发生化学反应，使钢件表面氧化生氧化与脱碳。
钢件淬火加热时氧化脱碳形成的铁索体、珠光体、贝氏体等组织为非马氏体组织，造成硬度低、耐磨性差和低劣的抗疲劳强度与力学性能。必须严加预防和避免钢件表面脱碳与氧化。
对策→C.N共渗前严密检查设备是否密封，维持炉内产生正压力。严防出现负压；通入炉内NH3气应干燥，去除H2O；淘汰或改造落后旧设备，更换新设备淬火加热，采用可控气氛电炉、真空电炉、微机控制炉。获得最佳C.N共渗层深度和显微组与性能，可避免钢件表面脱碳与氧化。

表面网状化合物：
因C·N共渗浓度控制不当，金属表面吸收大于扩散，活性 C·N原子堆积在金属表面，共渗层化合物过量集中于表层形成网状化合物；当 C·N化合物沿晶界扩展，便形成网状和半网状共渗化合物。网状化合物韧性低，脆性大，将大幅度降低共渗层抗冲击能力与抗疲劳性能，易造成淬火时或使用状态下应力集中，引起钢件表面龟裂和共渗层剥落早期失效。形成网状化合物的主要原因：是炉气 C·N势太高，强渗期温度过高，保温时间过长，过早形成高浓度共渗化合物。
对策→控制C·N渗剂供量，降低炉内 C·N势 。缩短强渗时间，优化强渗温度。

碳氮共渗层不均匀：
因炉气 C·N势较低，共渗温度偏低。渗期保温时间不足；炉气不畅，形成炉气“盲区”，造成“断渗”现象。大量碳黑沉积在钢件表面，炉温不均匀及装料太密，钢件相互接触甚至面接触，表面有污物等原因均会导致 C·N共渗层不均匀．影响产品质量和使用寿命，必须采取措施避免。
对策→优化共渗期和扩散期，保持 C·N势在合理范围，严格控制共渗剂中不饱和碳氢化合物；合理设计夹具，确保炉气畅通和钢件之间保持一定距离及相互不接触；电阻丝在炉膛合理分布，确保炉膛各部位温度均匀；装炉前清洗干净钢件表面污物。

黑色斑点状组织：
碳氮共渗初期炉气氮势过高，渗层中吸入大量活性氮原子，而 C·N共渗后期吸入大量活性碳原子，碳浓度增高，发生氮化物分解与脱氮过程 ，原子［N]变成氮分子而形成黑色斑点状，在显微镜下由大小不等孔洞组成，即为黑色斑点状组织，是由非金属氮原子被还原成气体分子形成“气球”产生点状黑色孔洞。因共渗层 C·N过饱和程度大和形成过量氮化物产物。

某些钢材含有大量易形成石墨化的Si元素，原材料在高温锻轧时长期加热或退火时间过长，促使钢中 Fe3 C→ 3Fe+C的分解 ，分解析出的自由碳即为石墨，质软。形成石墨碳夹杂物保留在孔洞内，便是黑色斑点状组织，导致钢件既淬不透又淬不硬，黑色斑点区成为软点区，降低抗疲劳强度、硬度、耐磨性和低劣力学性能，服役时易使渗层剥落、产品刃口变钝和易脆裂。必须采取措施消除黑色斑点状组织。
对策→加强原材料金相检查，尽量不采用有石墨化倾向的材料或严格制订与执行碳氮共渗前退火预处理工艺，降低退火温度和缩短退火时间，或采用调质预处理代替退火，避免析出石墨；选用含 Si量较低钢材；适当提高共渗温度；降低强渗期和扩散期的通氨量，确保产品质量。

带状组织：
高合金钢含有大量合金元素，形成大量一次碳化物和二次碳化物，钢锭虽经坯轧制和压延，碳化物偏析有一定程度改善，但沿轧制方向呈带状分布并随原材料直径或厚度增大而严重。正常 C·N共渗和热处理无法消除，保留在使用状态中，明显降低材料抗拉强度、屈服强度、塑性和韧性，造成硬度不均匀与力学性能有明显方向性。
对策→带状组织产生后无法挽救，只能采取预防措施，避免再次发生。加强原材料入库检查，严重带状组织不投产，或对钢材进行改锻，可确保 C·N共渗层均匀，完全避免原材料先天性不足缺陷。

畸变：
当原材料晶粒度不均匀、带状组织严重、淬透性带宽、锻造流线不对称、大件、形状复杂、厚薄不均和加热设备及装挂不当；碳氮共渗加热及淬火温度较高、钢件热塑性好和碳氮共渗前存在较大内应力；在应力和自重作用下易发生畸变，共渗出炉淬火时 ，因工件复杂，各部位转变不同期性，如壁薄部位先冷却得到淬火马氏体，而壁厚内层仍为过冷奥氏体，继续冷却内层过冷奥氏体转变为贝氏体、托氏体或珠光体等非马氏体组织，不同组织比容不同导致畸变。
对策→严格原材料入库检查，不合格材料不投产；对带状组织不太严重钢材，通过改锻消除带状组织并使锻造纤维组织流线对称；工件最终淬火前充分进行预处理，充分消除组织应力和冷加工应力；改进设计，尽量使工件形状对称、如：做工艺孔、壁薄部位增设加强筋和倒圆角代替尖角锐边等，以减少应力集中；对原材料进行改锻，达到钢中碳化物达到 1～2级；最终淬火采用分级淬火、等温淬火和选用微变形钢等措施，能有效避免热处理畸变。

过共析层+共析层比例不当：
过共析层+共析层比例合理时赋予 碳氮共渗层与钢基体有牢固结合力，在受力状态下抗剥落性强和有良好综合力学性能。反之，当两者比例过大或过小时，易导致碳氮共渗层在外力作用下极易剥落和力学性能低劣，导致工件早期失效。当过共析+共析层比例大于总渗层深度的 3／4时为过大；当过共析层 +共析层的比例小于总深层深度的 1／2时为过小。两者比例大于等于 1／2和小于等于 3／4时为比例合理。
对策→对两者比例过大者，应调整 C·N共渗期与扩散期渗剂配方与时间比例，在甲醇稀释保护气氛下进行扩散处理达到技术要求；对于两者比例过小者，可增加 C-N共渗强渗期保温时间和在炉气 碳氮势较高活性 C·N共渗介质中补渗；选用微机控制碳势和细晶粒钢与 C·N共渗前进行调整预处理等措施达到技术条件。

共渗层浅：
主要是炉气和设备问题。因排气不充分，炉内存有较多的氧化性气氛。
生产实践表明，当O2和 CO2含量大于等于 1．O％时，不易形成 碳氮共渗层；共渗剂不良，含杂质多，分解恬性[C]、[N]原子不足；工件表面不洁，有油污、锈迹及油管堵塞，炉罐与共渗罐不正常，使共渗剂未滴到炉内扩进入罐底部，造成炉气不均匀等原因，导致共渗层浅。上述问题可在炉压和排气火焰发现。
对策→碳氮共渗前严密检查设备完好率，排除设备故障清理干净工件表面，重新按正常工艺补渗；选用产气量大、不易形成碳黑的甲醇排气；点燃排气孔火焰，火苗为暗紫色转为金黄色，炉内压力为150—300Pa，表明炉内 C、N势循环和生产正常；选用微机控制碳势等新设备和新技术等措施，能有效避免和消除碳共渗缺陷，确保产品 碳氮共渗层具有高品质、长寿命。

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