渗碳、渗氮、碳氮共渗这三种工艺的共同目的是通过改变金属材料（主要是钢）表层的化学成分，从而显著提高其表面硬度、耐磨性和疲劳强度，同时保持心部的良好韧性。它们也被统称为“表面硬化”或“化学热处理”。
1. 渗碳
核心概念：将低碳钢（通常含碳量<0.25%）工件在富碳的介质中加热到高温（通常900-950°C），使活性碳原子渗入其表层，然后通过快速冷却（淬火）使高碳的表层转变为高硬度的马氏体。
工艺过程：
- 渗碳：工件在渗碳炉中，被含碳气体（如丙烷）、固体或液体碳源包围，在高温下这些碳源分解出活性碳原子[C]。
- 碳原子吸收与扩散：活性碳原子被钢件表面吸收，并向内部扩散，形成一层具有一定厚度的高碳层（称为渗碳层）。
- 淬火：工件从渗碳温度（或稍低的温度）迅速淬入油或水中，使富碳的表层转变为坚硬耐磨的马氏体组织。
- 低温回火：消除淬火应力，稳定组织和尺寸。
主要特点：
- 处理温度：高（900-950°C）
- 表层组织：高碳马氏体
- 渗层深度：较深，通常在0.5mm – 2.0mm之间，可根据需要调整。
- 表面硬度：高，可达HRC 58-63。
- 心部性能：因处理温度高，心部组织可能会粗化，但淬火后心部仍为强韧的低碳马氏体或贝氏体。
适用材料：低碳钢、低碳合金钢（如20Cr, 20CrMnTi等）。
典型应用：承受重载荷、强烈摩擦和冲击的零件。
- 汽车：齿轮、传动轴、凸轮轴
- 机械：大型轴承、销轴、离合器片
2. 渗氮
核心概念：将含有铬、钼、铝等合金元素的特殊钢件在富氮的介质中，在相对较低的温度（500-580°C）下加热，使活性氮原子渗入表层，形成非常坚硬的氮化物。
工艺过程：
- 预处理：工件需要先进行调质处理（淬火+高温回火），以获得心部最佳的强韧性组合。
- 渗氮：将工件放入密封的渗氮炉中，通入氨气（NH₃）或氮离子等。氨气在工件表面分解出活性氮原子[N]。
- 氮化物形成：活性氮原子与钢中的合金元素（如Al, Cr, Mo, V）结合，形成极其细小、弥散分布的稳定氮化物（如AlN, CrN）。这些氮化物直接赋予了表面超高硬度和耐磨性，无需再进行淬火。
主要特点：
- 处理温度：低（500-580°C）
- 表层组织：合金氮化物
- 渗层深度：浅，通常在0.1mm – 0.6mm之间，且深度控制难度大。
- 表面硬度：极高，可达HV 800-1200（约HRC 65-72），是所有表面硬化工艺中硬度最高的之一。
- 变形小：由于处理温度低，且无需淬火，工件的变形量极小。
- 耐腐蚀性：渗氮层具有良好的抗大气和水分腐蚀的能力。
适用材料：渗氮专用钢（如38CrMoAl），含铬、钼的合金钢、工具钢、不锈钢等。
典型应用：高精度、高耐磨、低冲击、疲劳强度要求高的零件。
- 精密机械：机床主轴、丝杠、镗杆
- 发动机：曲轴、凸轮轴
- 模具：塑料模具、压铸模具
3. 碳氮共渗
核心概念：同时向钢件表层渗入碳和氮原子。可以看作是“低温版的渗碳”或“含碳的渗氮”。最常见的是在渗碳气氛中加入氨气。
工艺过程：
与渗碳类似，但在渗碳气氛中同时通入一部分氨气。在合适的温度下（根据要求变化），碳和氮原子同时渗入工件表层，然后进行淬火和低温回火。
主要特点：
- 处理温度：中等（根据类型不同，一般在800-880°C）
- 高温碳氮共渗：以渗碳为主，接近渗碳。
- 低温碳氮共渗：以渗氮为主，又称“软氮化”，处理后硬度高但渗层很薄，常用于提高耐磨性和抗咬合性。
- 表层组织：含氮的马氏体
- 渗层深度：比渗碳浅，比（气体）渗氮深，通常在0.1mm – 0.8mm。
- 表面硬度：高，与渗碳相当或略高（因氮有固溶强化作用）。
- 优点：
- 因氮的加入，提高了淬透性，允许在较缓和的冷却介质（如油）中淬火，减小变形。
- 耐磨性和疲劳强度优于单一渗碳。
- 处理温度较低，节能且变形相对较小。
适用材料：碳钢、低合金钢。对材料要求比渗氮低。
典型应用：要求耐磨且有一定韧性的中小型零件。
- 汽车：齿轮、轴类、转向零件
- 工具：钻头、丝锥
- 农机：各种轻载齿轮、轴套
总结与对比
为了更直观地比较，请看下表：
| 特性 | 渗碳 | 渗氮 | 碳氮共渗 |
|---|---|---|---|
| 处理温度 | 高 (900-950°C) | 低 (500-580°C) | 中 (800-880°C) |
| 主要渗入元素 | 碳 (C) | 氮 (N) | 碳 (C) 和 氮 (N) |
| 后续热处理 | 需要淬火+回火 | 无需淬火 | 需要淬火+回火 |
| 渗层深度 | 深 (0.5-2.0mm) | 浅 (0.1-0.6mm) | 中等 (0.1-0.8mm) |
| 表面硬度 | 高 (HRC 58-63) | 极高 (HV 800-1200) | 高 (HRC 58-65) |
| 变形倾向 | 较大 | 极小 | 较小 |
| 心部强度 | 高 | 取决于预处理 | 较高 |
| 耐腐蚀性 | 无 | 好 | 略有改善 |
| 适用材料 | 低碳钢/合金钢 | 含氮化物形成元素的合金钢 | 碳钢、低合金钢 |
| 成本 | 中等 | 较高 | 中等 |
| 典型零件 | 重载齿轮、轴 | 高精度主轴、模具 | 中小齿轮、轴类 |
简单来说：
- 需要深硬化层、承受重冲击的零件，选渗碳。
- 需要超高硬度、极高精度、极小变形的零件，选渗氮。
- 在硬层深度、硬度、变形和控制成本之间寻求最佳平衡时，选碳氮共渗。
