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。
热处理表面处理