表面处理渗碳氮：工程师如何选择案例

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  炉内实际发生的过程
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  温度、时间及其对零件的影响
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  哪种钢材配哪种工艺
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  渗碳 vs 渗氮 vs 碳氮共渗
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  按零件要求选择

这三种工艺都是把碳或氮渗入钢的表面，而心部保持柔软。区别在于哪种元素扩散、在什么温度下扩散、扩散多长时间。碳在 850–950 °C 下扩散快，因为此时铁晶格为奥氏体，间隙较大。氮在 500–580 °C 下扩散，此时晶格为铁素体，较为紧密。这一事实解释了这些工艺之间大部分的变形差异。

渗碳将表面碳含量提高到约 0.7–1.0% C，然后淬火使该富碳区转变为马氏体。心部保持低碳，因此保持韧性。硬化层深度由时间和温度决定：典型气体渗碳在 925 °C 下三小时达到约 0.8 mm，六小时达到 1.5 mm。时间越长，硬化层越深，而不是越硬。

渗氮不需要淬火。氮与钢中的铝、铬或钼反应，形成硬的氮化物析出相。由于零件从未经历奥氏体到马氏体的转变，也就不会出现淬火带来的体积变化。这就是渗氮齿轮处理后通常无需磨削的原因。代价是时间：0.3–0.5 mm 的硬化层通常需要 20–60 小时。

碳氮共渗介于两者之间。它在 800–880 °C 下运行，从气体气氛中同时引入碳和氮，然后淬火。氮略微减缓碳的扩散并提高淬透性，因此达到相同硬化层深度所需时间比纯渗碳短。当图纸标注表面处理渗碳氮工艺时，通常指的就是这一类。

温度决定扩散速率，而不仅仅是速度。925 °C 渗碳是标准做法，但车间在需要快速获得深度时会提高到 950 °C。超过此温度，晶粒长大开始损害心部韧性。另一方面，800–850 °C 的碳氮共渗能保持细小晶粒和较低变形，这就是小型薄壁零件常采用该工艺的原因。

时间遵循平方根规律。硬化层深度翻倍大约需要四倍的周期。0.5 mm 硬化层可能需要两小时；1.5 mm 硬化层则接近六到八小时。需要深硬化层的工程师应尽早安排计划，因为炉时是瓶颈，会体现在交期上。

淬火是变形的根源。从 850 °C 油淬冷却最快，变形也最大。马氏体分级淬火或高压气淬可减少变形，但成本更高且限制截面厚度。对于内孔公差 ±0.005 mm 的零件，渗碳后通常需要后续磨削。渗氮完全避免了这一点，这是它对成品零件的主要优势。

气氛控制与工艺安排同样重要。碳势必须保持在窄范围内，否则表面会出现残余奥氏体或晶间氧化。两者后期都会表现为点蚀或剥落。运行良好的炉子每隔几分钟记录一次碳势；运行不良的炉子产生的硬化层在硬度计上看起来正常，但在使用中失效。

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  渗碳850–950 °C，仅碳，需要淬火，硬化层深可达 3 mm
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  渗氮500–580 °C，仅氮，无需淬火，硬化层可达 0.6 mm
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  碳氮共渗800–880 °C，碳加氮，需要淬火，硬化层可达 0.8 mm

渗碳需要低碳钢。碳含量低于约 0.25% C 时，心部保持铁素体且坚韧，而表面吸收碳。1018、4130 和 8620 等牌号很常见。不能对 4140 渗碳而获得软心部，因为它已有足够的碳可以淬透。这是常见的图纸错误。

渗氮需要含有氮化物形成元素的合金钢。铝、铬和钼起主要作用。这意味着 4140、4340 以及 41CrAlMo7 等渗氮钢。不锈钢 17-4PH 也响应良好。像 1018 这样的普通碳钢可以渗氮，但硬化层薄且强度低，因为没有元素与氮结合。如果零件已用 1018 制造，渗氮是错误的选择。

碳氮共渗对材料更宽容。它适用于低碳和中碳钢，且比渗氮能容忍更贫的合金。大批量小零件受益最大：紧固件、衬套、薄板。氮的加入提高淬透性，因此低碳钢可以达到仅靠碳无法达到的硬度。

实用规则很简单。先让钢材匹配工艺，再让工艺匹配零件。如果图纸标注 1018，你只能在渗碳和碳氮共渗之间选择。如果图纸标注 4140 且零件已精加工，渗氮很可能是唯一能保持尺寸的选项。

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  低碳钢渗碳或碳氮共渗；心部保持韧性
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  含 Cr 或 Al 的合金钢渗氮；硬化层硬，变形极小
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  已淬硬钢不要渗碳；仅用渗氮