碳氮共渗是在渗碳气氛中加入少量氨气，在较低温度（约 820–880 °C）同时向钢表面渗入碳和氮。氮能提高表层淬透性、降低淬火临界冷却速度，适合薄层、要求变形小的低碳钢零件。控制要点是碳势与氨气比例的协调：氮过多会导致残余奥氏体过量和黑色组织。
- 温度低于渗碳，常见约 820–880 °C
- 渗碳气氛中加入少量 NH₃ 提供氮
- 氮提高表层淬透性，可用较缓和的淬火介质
- 风险：残余奥氏体过多、黑色组织、孔洞
- 适用：薄层、小件、低碳钢、紧固件和冲压件
原理
在吸热式或氮-甲醇气氛中加入一定比例的氨气。氨在高温下分解产生活性氮原子，与碳一起渗入奥氏体表层。由于温度较低，扩散较慢，碳氮共渗通常用于获得较浅的硬化层。
与渗碳的区别
| 项目 | 渗碳 | 碳氮共渗 |
|---|---|---|
| 温度 | 约 900–950 °C | 约 820–880 °C |
| 渗入元素 | 碳 | 碳 + 氮 |
| 层深 | 较深 | 较浅 |
| 变形 | 相对较大 | 较小 |
| 淬透性 | 取决于钢种 | 氮提高表层淬透性 |
| 典型零件 | 齿轮、轴 | 小齿轮、紧固件、冲压件、链条件 |
氮的作用
- 提高淬透性：氮扩大奥氏体区、降低临界冷却速度，低碳钢也能在油中获得良好淬硬层；
- 提高回火抗力和耐磨性；
- 降低马氏体开始转变温度（Ms）：残余奥氏体增加。适量残余奥氏体可提高接触疲劳性能，过量则降低硬度和尺寸稳定性。
关键工艺参数
- 温度：温度越低，氮的吸收越多、碳的扩散越慢；
- 碳势：按目标表面碳设定，通常略低于纯渗碳；
- 氨气流量：一般占总气量的少量比例，需根据炉型和目标表面氮含量调节；
- 时间：决定层深；
- 淬火：根据零件选择油淬或其他介质。
控制难点
- 氨气会影响氧探头读数和碳势计算，控制器应考虑氨的存在；
- 氨与 CO₂、H₂O 在低温管路中可能生成碳酸铵类结晶，堵塞取样管；
- 炉内残余氨含量难以直接用常规碳势传感器测量。
常见缺陷
| 缺陷 | 原因 | 对策 |
|---|---|---|
| 残余奥氏体过多 | 氮、碳过高 | 降低氨量和碳势，或增加冷处理 |
| 黑色组织（内氧化/孔洞） | 氮过高、气氛氧化性 | 控制氨量、改善气氛 |
| 表面硬度低 | 层深不足或脱碳 | 检查温度、时间和碳势 |
| 硬度不均 | 气氛循环差、装炉过密 | 改善装炉与循环 |
常见问题
碳氮共渗能做深层吗？
可以延长时间，但由于温度低、扩散慢，效率不如渗碳。深层要求一般采用渗碳。
氨气加多少合适？
没有统一比例，需根据炉型、温度、目标表面氮和残余奥氏体要求通过试验确定，并用流量计精确控制。
碳氮共渗和氮碳共渗是一回事吗？
不是。碳氮共渗在奥氏体状态下进行，以碳为主、之后淬火；氮碳共渗（软氮化）在铁素体状态（约 560–590 °C）进行，以氮为主，一般不淬火。