1 碳氮共渗工艺简介
　　碳氮共渗是指将碳原子与氮原子同时渗入工件表面的一种化学热处理工艺，主要适用于齿轮、轴等要求表面有较高耐磨性且心部有较好韧性的零部件。与渗碳或渗氮工艺相比，有如下特点：
　　（1）氮的渗入降低了钢的临界点。由于氮是扩大γ相区的合金元素，可以降低渗层的相变温度，碳氮共渗可以在较低的温度进行，温度不易过热，便于直接淬火，且淬火变形小。
　　（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。采用碳氮共渗工艺比渗碳淬火的冷却方式缓和，减少了零件变形开裂的倾向。
　　（3）碳氮同时渗入，提高了扩散系数。
　　（4）碳氮共渗层比渗碳层具有较高的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度；比渗氮层具有较高的抗压强度和较低的表面脆性。
　　2 选材与工艺参数确定
　　20CrMnTi是渗碳钢，通常为含碳量为0.17%～0.24%，其淬透性较高。在保证淬透的情况下，20CrMnTi具有较高的强度和韧性、良好的加工性，且加工变形较小，特别是抗疲劳性能与低温冲击韧性相当好，多用于制造汽车传动齿轮。
　　碳氮共渗根据温度不同可分为低温碳氮共渗（700℃～760℃）、中温碳氮共渗（760℃～860℃）和高温碳氮共渗（860℃～960℃）。其中应用最多的为中温碳氮共渗，主要特点是处理温度较渗碳低，且工艺时间短，渗层性能好，适用面广。
　　根据合金渗碳钢的特点，最好采用液体碳氮共渗的工艺进行化学热处理。实验中采用共渗剂为木炭粉大于80目、活化剂、氯化钾、氯化钠，按8：12：1：1配比，具体热处理工艺为：
　　（1）碳氮共渗温度选择在820℃～860℃之间，共渗时间为2～3h；
　　（2）利用淬火和低温回火进行渗后热处理，使零件强化。具体采用840℃～880℃直接淬火方式，淬火时间为15min，且以室温下机油做为淬火介质；淬火后进行180℃低温回火2h，使工件达到要求。
　　3 碳氮共渗后的组织
　　碳氮共渗直接淬火后，试样组织从表层到心部依次为碳氮化物层、过渡层、心部基体组织。表层碳氮化物层具体为少量粒状碳氮化合物+含碳氮的马氏体+少量残余奥氏体；过渡层组织为含碳氮的马氏体+网状铁素体；心部为铁素体+少量低碳马氏体。通过观察金相组织，发现共渗温度为860℃时，渗层组织形貌最好，且共渗时间为3h的渗层组织要比2h的渗层组织更均匀和致密。具体金相组织图片如图所示：
　　图1 加热860℃保温3h渗层 200×
　　图2 加热860℃保温2h渗层 200×
　　图3 加热860℃保温3h过渡层 200×
　　图4 加热860℃保温2h过渡层 200×
　　图5 加热860℃保温3h心部 200×
　　图6 加热860℃保温2h心部 200×
　　4 碳氮共渗后的力学性能
　　试样经过碳氮共渗化学热处理，主要改变的是工件的表层组织性能，使其表面具有高硬度、高耐磨性、抗高温氧化性、高耐蚀性及较高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度等良好的力学性能。与渗碳相比，氮的加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，提高了零件淬透性，并且增强了固溶强化效果，使共渗层的最高硬度值更高。