第11章鋼的化學(xué)熱處理

1、 第十一章第十一章 鋼的化學(xué)熱處理鋼的化學(xué)熱處理 表面淬火缺陷：成分所限；形狀所限。表面淬火缺陷：成分所限；形狀所限。改變成分與組織結(jié)構(gòu)的改變成分與組織結(jié)構(gòu)的化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理（1 1）化學(xué)熱處理定義：工件置于一定活性介質(zhì)）化學(xué)熱處理定義：工件置于一定活性介質(zhì)中，使非金屬或金屬元素?cái)U(kuò)散到工件表層中，中，使非金屬或金屬元素?cái)U(kuò)散到工件表層中，以改變表面的化學(xué)成分和性能的工藝。以改變表面的化學(xué)成分和性能的工藝。（2 2）化學(xué)熱處理的作用：）化學(xué)熱處理的作用： 強(qiáng)化表面，提高硬度與耐磨性，抗疲勞性強(qiáng)化表面，提高硬度與耐磨性，抗疲勞性等；等； 保護(hù)表面，改善物化性能，抗腐蝕、耐高保護(hù)表面，改善物化性能

2、，抗腐蝕、耐高溫等。溫等。 （3 3）優(yōu)點(diǎn)：）優(yōu)點(diǎn)： 可在較大濃度范圍有效改變表層化學(xué)成分、可在較大濃度范圍有效改變表層化學(xué)成分、組織與性能；組織與性能； 不受形態(tài)限制，滲層較均勻；不受形態(tài)限制，滲層較均勻； 仿形滲層仿形滲層滲層的輪廓與工件形狀相似滲層的輪廓與工件形狀相似 表面層性能提高幅度更大，且往往可同時(shí)表面層性能提高幅度更大，且往往可同時(shí)提高機(jī)械、物化性能；提高機(jī)械、物化性能； 成分相變成分相變 表面過熱現(xiàn)象可在隨后熱處理中消除。表面過熱現(xiàn)象可在隨后熱處理中消除。 缺點(diǎn)：周期長缺點(diǎn)：周期長 （4 4）常用化學(xué)熱處理：）常用化學(xué)熱處理： 名稱滲入元素作用滲碳C表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度滲

3、氮N表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性碳氮共滲C、N表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度滲硫S減磨，提高抗咬合作用硫氮共滲S、N硬度、耐磨性、減磨滲硼B(yǎng)表面硬度滲鋁Al抗氧化性及硫化介質(zhì)中耐蝕性1.化學(xué)熱處理的基本過程化學(xué)熱處理的基本過程 化學(xué)熱處理由化學(xué)介質(zhì)化學(xué)熱處理由化學(xué)介質(zhì)分解分解產(chǎn)生的產(chǎn)生的活性原子活性原子，被工件表面被工件表面吸收吸收，并向內(nèi)部，并向內(nèi)部擴(kuò)散擴(kuò)散三個(gè)基本過程三個(gè)基本過程組成。組成。 分解：滲劑在一定溫度下經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而形分解：滲劑在一定溫度下經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而形成成活性原子活性原子過程。過程。 滲碳：滲碳：2COCO2+C; CH42H2+C CO+H2H2O+C 滲氮：滲氮：2NH

4、33H2+2N C,N活性原子活性原子 a. 化學(xué)介質(zhì)的分解 化學(xué)熱處理分類及基本過程 活性原子：指那些在一定的化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的活性原子：指那些在一定的化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的滲入元素，它以原子狀態(tài)存在，性質(zhì)活潑，滲入元素，它以原子狀態(tài)存在，性質(zhì)活潑，能為工件表面吸收。能為工件表面吸收。 N+NNN+NN2 2 分子態(tài)，非活性分子態(tài)，非活性 C+CG(C+CG(石墨石墨) ) 化學(xué)反應(yīng)除分解外還有化學(xué)反應(yīng)除分解外還有 置換置換 SiClSiCl4 4+2Fe2FeCl+2Fe2FeCl2 2+Si+Si 還原還原 B B2 2O O3 3+6Na3Na+6Na3Na2 2O+2BO+2B 歧化歧化 3

5、TiCl3TiCl2 22TiCl2TiCl3 3+Ti+Ti/0 xxeII/0 xxeII吸收：活性原子可溶入基體金屬中或者與基體吸收：活性原子可溶入基體金屬中或者與基體金屬形成化合物。金屬形成化合物。 例如滲碳時(shí)：例如滲碳時(shí)： 被表面吸附的活性碳原子固溶到奧氏體中被表面吸附的活性碳原子固溶到奧氏體中 Fe+C吸附吸附FeC固溶固溶 (間隙固溶體）間隙固溶體） 碳原子超出最大固溶度后形成化合物：碳原子超出最大固溶度后形成化合物： 3FeC吸附吸附Fe3C 另鋼件的粉末滲硼時(shí)，先形成化合物另鋼件的粉末滲硼時(shí)，先形成化合物 300C FeB，700C Fe2B， 900C含含B的固溶體的固溶體

6、b. 活性原子被工件表面吸收過程 擴(kuò)散：鋼件表面被吸收的活性原子向鋼件深擴(kuò)散：鋼件表面被吸收的活性原子向鋼件深處遷移，并形成一定厚度的滲層。處遷移，并形成一定厚度的滲層。 原因：表層與心部的濃度差原因：表層與心部的濃度差 滲入元素的原子沿濃度梯度下降的方向遷移滲入元素的原子沿濃度梯度下降的方向遷移擴(kuò)散層的特點(diǎn)：滲入元素在表面層的濃度最高，擴(kuò)散層的特點(diǎn)：滲入元素在表面層的濃度最高，離開表層越遠(yuǎn)，濃度越低。離開表層越遠(yuǎn)，濃度越低。 c. 滲入元素的擴(kuò)散過程 2. 化學(xué)熱處理分類化學(xué)熱處理分類 表面滲碳 高碳鋼高碳鋼淬火淬火+ +低溫回火低溫回火 硬度、強(qiáng)度硬度、強(qiáng)度 沖擊韌性沖擊韌性低碳鋼低碳鋼淬

7、火淬火+ +低溫回火低溫回火 塑性、韌性塑性、韌性 硬度、耐磨性硬度、耐磨性滲碳鋼滲碳鋼 表層碳含量表層碳含量 心部碳含量心部碳含量一般選用碳含量為一般選用碳含量為0.10.3%的的低碳鋼和低碳合金鋼低碳鋼和低碳合金鋼 定義定義：鋼的滲碳就是將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱：鋼的滲碳就是將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表面，獲得一定的表面含和保溫，使碳原子滲入表面，獲得一定的表面含碳量和一定碳濃度梯度的工藝。碳量和一定碳濃度梯度的工藝。 目的目的：提高零件表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。：提高零件表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。 根據(jù)介質(zhì)不同，分為根據(jù)介質(zhì)不同，分為氣體滲碳、固體滲碳和氣體滲碳、固體滲

8、碳和液體滲碳液體滲碳三種。應(yīng)用最多的是氣體滲碳。三種。應(yīng)用最多的是氣體滲碳。 表面滲碳 氣體滲碳裝置示意圖氣體滲碳裝置示意圖a. 氣體滲碳 工件在氣體介質(zhì)中進(jìn)行滲碳的方法。u 滲碳介質(zhì)：滲碳介質(zhì)： 液體介質(zhì)：碳?xì)浠衔镆后w介質(zhì)：碳?xì)浠衔?煤油、甲醇、乙醇、丙酮、苯、甲苯等。煤油、甲醇、乙醇、丙酮、苯、甲苯等。 氣體介質(zhì)：混合氣體氣體介質(zhì)：混合氣體 天然氣、甲烷、液化石油氣、丙烷、丁烷天然氣、甲烷、液化石油氣、丙烷、丁烷 滲碳能力很強(qiáng)，須與滲碳能力弱的氣滲碳能力很強(qiáng)，須與滲碳能力弱的氣體配合使用體配合使用 滴注式可控氣氛滲碳滴注式可控氣氛滲碳 可控氣氛滲碳是通過可控氣氛滲碳是通過控制滲碳?xì)怏w的

9、成分控制滲碳?xì)怏w的成分來控制鋼件滲碳層的碳濃度。來控制鋼件滲碳層的碳濃度。 碳勢：碳勢：是指純鐵在一定溫度下于加熱爐氣中是指純鐵在一定溫度下于加熱爐氣中加熱時(shí)達(dá)到既不增碳也不脫碳，并與爐氣保加熱時(shí)達(dá)到既不增碳也不脫碳，并與爐氣保持平衡時(shí)表面的碳含量，它表示爐氣對純鐵持平衡時(shí)表面的碳含量，它表示爐氣對純鐵飽和碳的能力。飽和碳的能力。 滴注式可控氣氛滲碳的主要特點(diǎn)是把兩種滴注式可控氣氛滲碳的主要特點(diǎn)是把兩種有機(jī)液體直接滴入滲碳爐內(nèi)進(jìn)行分解，使其有機(jī)液體直接滴入滲碳爐內(nèi)進(jìn)行分解，使其中中一種滴液形成稀釋氣一種滴液形成稀釋氣，另一種滴液形成滲另一種滴液形成滲碳?xì)馓細(xì)?。碳勢的意義碳勢的意義 “碳勢碳勢”

10、定量地表示滲碳?xì)夥盏幕钚?，定量地表示滲碳?xì)夥盏幕钚?，即爐氣滲碳能力強(qiáng)弱：即爐氣滲碳能力強(qiáng)弱： 爐氣氛碳勢高，滲碳能力強(qiáng)。爐氣氛碳勢高，滲碳能力強(qiáng)。用化學(xué)反應(yīng)平衡時(shí)鋼件表面的含碳量表示，用化學(xué)反應(yīng)平衡時(shí)鋼件表面的含碳量表示，但衡量的是氣氛的碳勢，可用來考察該氣氛但衡量的是氣氛的碳勢，可用來考察該氣氛下鋼的滲碳與脫碳行為：下鋼的滲碳與脫碳行為： 碳勢為碳勢為1 1的氣氛，可使碳含量的氣氛，可使碳含量1%1%1%的鋼脫碳；的鋼脫碳； 吸熱式滲碳?xì)夥諠B碳吸熱式滲碳?xì)夥諠B碳 是將可燃性原料氣如丙烷、丁烷、天然氣是將可燃性原料氣如丙烷、丁烷、天然氣等碳?xì)浠衔锱c較少的空氣混合后，通入裝等碳?xì)浠衔锱c較少的

11、空氣混合后，通入裝有觸媒劑的爐膛中，在觸媒劑的作用下，并有觸媒劑的爐膛中，在觸媒劑的作用下，并借助外加熱，使混合氣在借助外加熱，使混合氣在95010509501050C的條件的條件下進(jìn)行反應(yīng)，用這種方法制備的氣氛稱為吸下進(jìn)行反應(yīng)，用這種方法制備的氣氛稱為吸熱式氣氛。熱式氣氛。 多用于連續(xù)式爐氣體滲碳多用于連續(xù)式爐氣體滲碳 將工件埋在固體滲碳劑中密封起來，加熱到將工件埋在固體滲碳劑中密封起來，加熱到900930C，保溫后出爐。，保溫后出爐。固體滲碳由兩類物質(zhì)組成：固體滲碳由兩類物質(zhì)組成： 滲碳物質(zhì)（滲碳物質(zhì)（85859090）：木炭、焦炭、骨炭等。）：木炭、焦炭、骨炭等。 催化劑（催化劑（101

12、01515）：碳酸鈉、碳酸鋇等。）：碳酸鈉、碳酸鋇等。 b. 固體滲碳 木炭與滲碳箱內(nèi)的氧氣發(fā)生反應(yīng)：木炭與滲碳箱內(nèi)的氧氣發(fā)生反應(yīng)： C+OC+O2 2COCO2 2, CO, CO2 2+C2CO+C2CO 2COCO 2COCO2 2+C+C催化劑的反應(yīng)為：催化劑的反應(yīng)為： BaCOBaCO3 3BaO+COBaO+CO2 2, CO, CO2 2+C2CO+C2CO Na Na2 2COCO3 3NaNa2 2O+COO+CO2 2, CO, CO2 2+C2CO+C2CO 固體滲碳優(yōu)點(diǎn)：固體滲碳優(yōu)點(diǎn)： 設(shè)備簡單，方便易行，中小型工廠；設(shè)備簡單，方便易行，中小型工廠； 缺點(diǎn)：周期長，生產(chǎn)

13、效率低，勞動條件差，缺點(diǎn)：周期長，生產(chǎn)效率低，勞動條件差， 質(zhì)量不易保證。質(zhì)量不易保證。 在能析出活性碳原子的鹽浴中進(jìn)行的。在能析出活性碳原子的鹽浴中進(jìn)行的。 優(yōu)點(diǎn)：加熱速度快，加熱均勻，滲碳效率高，優(yōu)點(diǎn)：加熱速度快，加熱均勻，滲碳效率高，滲碳層均勻，便于直接淬火。滲碳層均勻，便于直接淬火。 缺點(diǎn)：成本高，滲層鹽浴大多有毒，不宜于缺點(diǎn)：成本高，滲層鹽浴大多有毒，不宜于大件和大批量生產(chǎn)。大件和大批量生產(chǎn)。 滲碳鹽浴一般由三類物質(zhì)組成：滲碳鹽浴一般由三類物質(zhì)組成： 加熱介質(zhì)：通常用加熱介質(zhì)：通常用NaClNaCl和和BaClBaCl2 2的混和鹽。的混和鹽。BaClBaCl2 2還同時(shí)具有催化劑的

14、作用。還同時(shí)具有催化劑的作用。 催化劑（催化劑（5 53030）：常用碳酸鹽）：常用碳酸鹽 （NaNa2 2CO3CO3或或BaCOBaCO3 3）。）。 c. 液體滲碳 滲碳介質(zhì)（滲碳介質(zhì)（10101515） 氰鹽如氰化鈉或氰化鉀，劇毒，受限。氰鹽如氰化鈉或氰化鉀，劇毒，受限。 現(xiàn)多采用石墨、木炭或黃血鹽現(xiàn)多采用石墨、木炭或黃血鹽 低碳鋼或低碳合金鋼低碳鋼或低碳合金鋼 預(yù)留加工余量；預(yù)留加工余量； 鍍銅法；鍍銅法； 涂防滲碳涂料如將耐火泥、石棉粉、用水玻璃涂防滲碳涂料如將耐火泥、石棉粉、用水玻璃調(diào)成膏狀。調(diào)成膏狀。 滲碳工藝過程 1. 滲碳前的熱處理和準(zhǔn)備 正火、調(diào)質(zhì)處理正火、調(diào)質(zhì)處理2.

15、滲碳過程的工藝操作 強(qiáng)滲期強(qiáng)滲期擴(kuò)散期擴(kuò)散期降溫期降溫期等溫期等溫期排氣期排氣期 為使?jié)B碳件具有表面高硬度，心部高韌性，為使?jié)B碳件具有表面高硬度，心部高韌性，滲碳后滲碳后必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇慊?、回火必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇慊?、回火。滲碳后熱處理的目的滲碳后熱處理的目的3. 滲碳后的熱處理 獲得高硬度獲得高硬度(5863HRC)和高耐磨的表面層和高耐磨的表面層消除網(wǎng)狀滲碳體和調(diào)整殘留奧氏體的數(shù)量和分布消除網(wǎng)狀滲碳體和調(diào)整殘留奧氏體的數(shù)量和分布細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和韌性細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和韌性消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸。消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸。1 1、直接淬火法、直接淬火法滲碳后可直接滲碳后可直接預(yù)冷淬火，預(yù)冷淬火，

16、180180200C200C 低溫回火低溫回火滲碳后熱處理工藝滲碳后熱處理工藝 特特 點(diǎn)：點(diǎn)： 操作簡單、成本低，生產(chǎn)率高，操作簡單、成本低，生產(chǎn)率高，但在高溫下長期保溫，奧氏體晶粒易長大，但在高溫下長期保溫，奧氏體晶粒易長大，影響淬火后工件的性能，故只適用于滲碳件影響淬火后工件的性能，故只適用于滲碳件的心部和表層都不過熱的情況下；此外預(yù)冷的心部和表層都不過熱的情況下；此外預(yù)冷過程中，二次滲碳體沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析過程中，二次滲碳體沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，對工件淬火后的性能不利。出，對工件淬火后的性能不利。 用途：大批量生產(chǎn)的汽車、拖拉機(jī)齒輪常用用途：大批量生產(chǎn)的汽車、拖拉機(jī)齒輪常用此法。此法

17、。 預(yù)冷的目的是為了減少淬火變形與開裂，并使表層析出一些碳化物，降低殘A，提高表層硬度，預(yù)冷溫度略高于Ar3,目的是為避免析出鐵素體。 2 2、一次淬火法（重新加熱淬火法）、一次淬火法（重新加熱淬火法） 工件經(jīng)滲碳空冷工件經(jīng)滲碳空冷(或坑冷）后，再重新加熱至淬或坑冷）后，再重新加熱至淬火溫度進(jìn)行淬火，然后在火溫度進(jìn)行淬火，然后在180200回火。這回火。這種方法在工件重新加熱時(shí)奧氏體晶粒得到細(xì)化，種方法在工件重新加熱時(shí)奧氏體晶粒得到細(xì)化，使鋼的性能得到提高。使鋼的性能得到提高。 用途用途 適用于比較重要的零件，如高速柴油機(jī)齒適用于比較重要的零件，如高速柴油機(jī)齒輪等。輪等。 淬火加熱溫度的選擇淬

18、火加熱溫度的選擇 心部要求較高強(qiáng)韌性的零件，加熱至心部心部要求較高強(qiáng)韌性的零件，加熱至心部Ac3稍稍上。心部通過相變重結(jié)晶，細(xì)化了晶粒，淬火后得上。心部通過相變重結(jié)晶，細(xì)化了晶粒，淬火后得到細(xì)小的低碳到細(xì)小的低碳M，具有較高的強(qiáng)韌性；表面可消除，具有較高的強(qiáng)韌性；表面可消除網(wǎng)狀滲碳體；但表面加熱溫度高，淬火后晶粒較粗網(wǎng)狀滲碳體；但表面加熱溫度高，淬火后晶粒較粗大，殘余奧氏體較多，影響耐磨性。大，殘余奧氏體較多，影響耐磨性。 對表面耐磨性要求較高的零件，加熱溫度應(yīng)選對表面耐磨性要求較高的零件，加熱溫度應(yīng)選擇在擇在Ac1稍上，淬火后表面層為稍上，淬火后表面層為M、未溶碳化物和、未溶碳化物和少量殘余

19、奧氏體，有較高的硬度和耐磨性。而對心少量殘余奧氏體，有較高的硬度和耐磨性。而對心部組織來說，加熱溫度過低，淬火后低碳部組織來說，加熱溫度過低，淬火后低碳M和未溶和未溶鐵素體，強(qiáng)度受到一定的影響。鐵素體，強(qiáng)度受到一定的影響。一次淬火發(fā)可以提高心部或者改善表面的性能，一次淬火發(fā)可以提高心部或者改善表面的性能，但卻無法使兩者同時(shí)得到提高。但卻無法使兩者同時(shí)得到提高。3 3、二次淬火法、二次淬火法適用于對于表面和心部適用于對于表面和心部性能都要求較高的零件性能都要求較高的零件第一次淬火加熱溫度在第一次淬火加熱溫度在A Ac3c3稍上，強(qiáng)化心部稍上，強(qiáng)化心部第二次淬火在第二次淬火在A Ac1c1稍上，稍

20、上，保證表面硬度保證表面硬度 第一次淬火是為了細(xì)化心部組織和消除表層網(wǎng)狀碳化物，因此，加熱溫度應(yīng)選在心部的Ac3以上。 第二次淬火是為了改善滲碳層的組織和性能，使其獲得細(xì)針狀馬氏體和均勻分布的未溶碳化物顆粒，因此，加熱溫度通常選在Ac1以上3050。 兩次淬火法的主要缺點(diǎn)是，零件經(jīng)兩次高溫加熱及冷卻后變形較嚴(yán)重；滲碳層易發(fā)生部分脫碳、氧化；生產(chǎn)周期長和成本高。故一般很少使用這種方法，只對粗晶粒鋼和使用性能要求很高的零件才用它。1 1 滲層淬火組織滲層淬火組織 根據(jù)表面碳含量、合金元素和淬火溫度，滲層根據(jù)表面碳含量、合金元素和淬火溫度，滲層淬火組織可分兩類：淬火組織可分兩類：（1 1）表面無碳化

21、物，自表面至中心，依次由高）表面無碳化物，自表面至中心，依次由高碳馬氏體殘余奧氏體逐漸過渡到低碳馬氏體；碳馬氏體殘余奧氏體逐漸過渡到低碳馬氏體；（2 2）細(xì)小針狀馬氏體殘余奧氏體細(xì)小顆粒）細(xì)小針狀馬氏體殘余奧氏體細(xì)小顆粒狀碳化物狀碳化物高碳馬氏體殘余奧氏體高碳馬氏體殘余奧氏體逐步過渡逐步過渡到低碳馬氏體。到低碳馬氏體。 滲碳后鋼的組織與性能 2 滲碳層組織對性能影響滲碳層組織對性能影響（1）滲碳層碳化物的數(shù)量及分布：）滲碳層碳化物的數(shù)量及分布： 細(xì)小隱晶細(xì)小隱晶M組織的基體上均勻分布著適量的粒組織的基體上均勻分布著適量的粒狀碳化物為最好，耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度較高；狀碳化物為最好，耐磨性和接觸疲

22、勞強(qiáng)度較高； 而粗大塊狀和網(wǎng)狀碳化物會破壞基體的連續(xù)性而粗大塊狀和網(wǎng)狀碳化物會破壞基體的連續(xù)性而引起脆性，易造成疲勞麻點(diǎn)和表面剝落；而引起脆性，易造成疲勞麻點(diǎn)和表面剝落；（2）殘余奧氏體量不易過多；）殘余奧氏體量不易過多；（3）心部組織應(yīng)為低碳馬氏體，貝氏體、屈氏）心部組織應(yīng)為低碳馬氏體，貝氏體、屈氏體，索氏體為好，不允許有大塊、多量游離體，索氏體為好，不允許有大塊、多量游離F；（4）滲碳淬火后表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于）滲碳淬火后表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于疲勞強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度。三、滲層淬火組織及對性能影響三、滲層淬火組織及對性能影響3 3 滲層性能與表面碳量、滲層深度關(guān)系滲層性能與表面碳量、滲

23、層深度關(guān)系 總體上硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度隨表層總體上硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度隨表層C%,C%,滲層深度滲層深度而提高，沖擊韌性隨而提高，沖擊韌性隨C%C%而降低。而降低。 但但C%C%過高，滲層深度過大，硬度、耐磨性、過高，滲層深度過大，硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度反而下降。疲勞強(qiáng)度反而下降。 例如：疲勞強(qiáng)度開始隨表層例如：疲勞強(qiáng)度開始隨表層C%C%而提高，到而提高，到0.930.93時(shí)具有最高值，然后下降。時(shí)具有最高值，然后下降。滲碳層表面碳濃度（C）0.80.931.151.42疲勞強(qiáng)度107N/m285.392.182.366.6滲碳層深度及工藝路線滲碳層深度：0.52mm采用滲碳工藝的零件的加

24、工工藝路線： 鍛造正火機(jī)械加工滲碳淬火低溫回火精加工成品 1 1、黑色組織黑色組織在含在含Cr，Mn及及Si等合金元素的滲碳鋼滲碳淬火等合金元素的滲碳鋼滲碳淬火后，在滲層表面組織中出現(xiàn)沿晶界呈現(xiàn)斷續(xù)網(wǎng)狀后，在滲層表面組織中出現(xiàn)沿晶界呈現(xiàn)斷續(xù)網(wǎng)狀的黑色組織。的黑色組織。 防黑色組織的辦法是注意滲碳爐的密封性能，防黑色組織的辦法是注意滲碳爐的密封性能，降低爐氣中的含氧量一旦工件上出現(xiàn)黑色組織降低爐氣中的含氧量一旦工件上出現(xiàn)黑色組織時(shí)，若其深度不超過時(shí)，若其深度不超過0.02mm,可以增加一道磨削可以增加一道磨削工序，把其磨去，或進(jìn)行表面噴丸處理。工序，把其磨去，或進(jìn)行表面噴丸處理。 滲碳缺陷與控制

25、 2、反常組織、反常組織 其特征是在先共析滲碳體周圍出現(xiàn)鐵素體層在滲碳件中，常在鋼中含氧量較高(如沸騰鋼)的固體滲碳時(shí)看到。具有反常組織的鋼經(jīng)淬火后易出現(xiàn)軟點(diǎn)。 補(bǔ)救辦法: 適當(dāng)提高淬火溫度或適當(dāng)延長淬火加熱的保溫時(shí)間，使奧氏體均勻化，并采用較快的淬火冷卻速度。 3、粗大網(wǎng)狀碳化物、粗大網(wǎng)狀碳化物 形成原因可能是由于滲碳劑活性太大，形成原因可能是由于滲碳劑活性太大，滲碳階段溫度過高，擴(kuò)散階段溫度過低及滲滲碳階段溫度過高，擴(kuò)散階段溫度過低及滲碳時(shí)間過長引起。碳時(shí)間過長引起。 預(yù)防補(bǔ)救的辦法是分析其原因，采取相預(yù)防補(bǔ)救的辦法是分析其原因，采取相應(yīng)措施，對已出現(xiàn)粗大網(wǎng)狀碳化物的零件可應(yīng)措施，對已出現(xiàn)

26、粗大網(wǎng)狀碳化物的零件可以進(jìn)行溫度高于以進(jìn)行溫度高于ACcm 的高溫淬火或正火的高溫淬火或正火 4、滲碳層深度不均勻、滲碳層深度不均勻 可能由于原材料中帶狀組織嚴(yán)重，也可可能由于原材料中帶狀組織嚴(yán)重，也可能由于滲碳件表面局部結(jié)焦或沉積碳黑，爐能由于滲碳件表面局部結(jié)焦或沉積碳黑，爐氣循環(huán)不均勻，零件表面有氧化膜或不干凈，氣循環(huán)不均勻，零件表面有氧化膜或不干凈，爐溫不均勻，零件在爐內(nèi)放置不當(dāng)?shù)人鞝t溫不均勻，零件在爐內(nèi)放置不當(dāng)?shù)人斐深A(yù)防措施，應(yīng)分析其具體原因，采取相成預(yù)防措施，應(yīng)分析其具體原因，采取相應(yīng)措施。應(yīng)措施。 5、表層貧碳或脫碳、表層貧碳或脫碳 其成因是擴(kuò)散期爐內(nèi)氣氛碳勢過低，或其成因是擴(kuò)

27、散期爐內(nèi)氣氛碳勢過低，或高溫出爐后在空氣中緩冷時(shí)氧化脫碳。高溫出爐后在空氣中緩冷時(shí)氧化脫碳。 補(bǔ)救辦法：在碳勢較高的滲碳介質(zhì)中進(jìn)行補(bǔ)滲。補(bǔ)救辦法：在碳勢較高的滲碳介質(zhì)中進(jìn)行補(bǔ)滲。在脫碳層小于在脫碳層小于002mm情況下可以采用把其情況下可以采用把其磨去或噴丸等辦法進(jìn)行補(bǔ)救。磨去或噴丸等辦法進(jìn)行補(bǔ)救。 6、表面腐蝕或氧化、表面腐蝕或氧化 滲碳劑不純，含雜質(zhì)多，如硫或硫酸鹽的含量高，液體滲碳后零件表面粘有殘鹽，均會引起腐蝕滲碳后零件出爐溫度過高，等溫鹽浴或淬火加熱鹽浴脫氧不良，都可引起表面氧化，應(yīng)仔細(xì)控制滲碳劑鹽浴成分，并對零件表面及時(shí)清洗 。 20mm的小軸，經(jīng)930，5小時(shí)滲碳后，表面碳的質(zhì)量

28、分?jǐn)?shù)增加至1.2分析經(jīng)下列熱處理后表面及心部的組織：13.用20鋼制造的(1)滲碳后緩冷到室溫。(2)滲碳后直接淬火，然后低溫回火。(3)滲碳后預(yù)冷到820，保溫后淬火，低溫回火。(4)滲碳后緩冷到室溫，再加熱到880oC后淬火，低溫回火。(5)滲碳后緩冷到室溫，再加熱到780 oC后淬火，低溫回火。 一、一、氮化的應(yīng)用及其特點(diǎn)氮化的應(yīng)用及其特點(diǎn) 氮化：向工件表面滲入氮的工藝。氮化：向工件表面滲入氮的工藝。性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)： 具有比滲碳淬火更高的表面硬度和耐磨性、熱硬性、HV9501200(HRC6572)具有高的疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性氮化溫度低，氮化后不需淬火，因而變形小主要應(yīng)用： 用于尺寸精

29、度要求高，且耐磨性高的機(jī)械零件。如鏜床主軸、精密車床的絲桿等。 表面滲氮 二、二、氮化的基本原理氮化的基本原理 1 1、Fe-NFe-N系相圖系相圖二、二、氮化的基本原理氮化的基本原理 -相相 氮在氮在-Fe中的固溶體；中的固溶體； -相相 氮在氮在-Fe中的固溶體；中的固溶體； -相相 成分可變的間隙相，面心立方結(jié)成分可變的間隙相，面心立方結(jié) 構(gòu)，可用構(gòu)，可用Fe4N表示，脆性較小；表示，脆性較??； -相氮化物，可用相氮化物，可用Fe2-3N表示，比較脆；表示，比較脆； -相氮化物，可用相氮化物，可用Fe2N表示，極脆。表示，極脆。兩個(gè)共析反應(yīng)：590： 650： 2、氮化層的組織、氮化層的

30、組織 由由Fe-N相圖可知，相圖可知，在低于共析溫度在低于共析溫度590C以下進(jìn)行氮化時(shí)，以下進(jìn)行氮化時(shí)， 首先在表面形成首先在表面形成-相，相， 當(dāng)當(dāng)-相氮濃度達(dá)到飽和時(shí)，形成相氮濃度達(dá)到飽和時(shí)，形成相，相， 當(dāng)當(dāng)相的氮濃度達(dá)到飽和時(shí)，又形成相的氮濃度達(dá)到飽和時(shí)，又形成相。相。由表面到心部為：由表面到心部為： 心部組織心部組織3 3、鋼中碳及合金元素對氮化組織的影響、鋼中碳及合金元素對氮化組織的影響 （1 1）碳的影響）碳的影響 減少氮的擴(kuò)散速度，減少氮化層的深度；減少氮的擴(kuò)散速度，減少氮化層的深度；N N能溶入滲碳體，形成含氮滲碳體能溶入滲碳體，形成含氮滲碳體FeFe3 3(C,N);(C

31、,N);C C能溶入能溶入相，成為相，成為FeFe2-32-3(C,N),(C,N),而不溶入而不溶入相相中。中。鋼中的含碳量（）0.060.431.18氮擴(kuò)散系數(shù)（m2/s) 51091.251090.5141093 3、鋼中碳及合金元素對氮化組織的影響、鋼中碳及合金元素對氮化組織的影響 （2 2）合金元素的影響）合金元素的影響 含有氮化物形成元素含有氮化物形成元素CrCr、MoMo、AlAl等時(shí)，當(dāng)表等時(shí)，當(dāng)表面氮濃度達(dá)到面氮濃度達(dá)到- -相飽和極限濃度后，按照和相飽和極限濃度后，按照和N N親親和力的大小，先形成和力的大小，先形成AlNAlN，然后形成，然后形成MoNMoN，再形成，再形

32、成CrNCrN，當(dāng)表面層合金元素都形成氮化物后，才會，當(dāng)表面層合金元素都形成氮化物后，才會形成形成和和相。相。 在合金氮化物中，除在合金氮化物中，除CrNCrN及及MoNMoN因與因與相相晶格相同，可溶入晶格相同，可溶入相外，其余氮化物都不相外，其余氮化物都不溶入溶入相中。這些穩(wěn)定的氮化物高度彌散分相中。這些穩(wěn)定的氮化物高度彌散分布在氮化層中，具有高溫下幾乎不溶入鐵、布在氮化層中，具有高溫下幾乎不溶入鐵、不聚合及長大等特點(diǎn)，因此氮化層表現(xiàn)出極不聚合及長大等特點(diǎn)，因此氮化層表現(xiàn)出極高的硬度。高的硬度。 選擇氮化的鋼材，一般應(yīng)含有選擇氮化的鋼材，一般應(yīng)含有CrCr、MoMo、AlAl、V V、Ti

33、Ti等氮化物形成元素的鋼。等氮化物形成元素的鋼。常用的氮化鋼有：常用的氮化鋼有： 40Cr40Cr、35CrMo35CrMo、38CrMoAl38CrMoAl等。等。 三、氮化工藝三、氮化工藝 1 1、氮化前的預(yù)處理、氮化前的預(yù)處理 保證心部有足夠的強(qiáng)度支撐較脆的氮化層；保證心部有足夠的強(qiáng)度支撐較脆的氮化層； 消除加工應(yīng)力，減小變形；消除加工應(yīng)力，減小變形； 為氮化層的性能作組織上的準(zhǔn)備。為氮化層的性能作組織上的準(zhǔn)備。 常用調(diào)質(zhì)處理，獲得回火索氏體組織。常用調(diào)質(zhì)處理，獲得回火索氏體組織。2 2、非氮化層的保護(hù)、非氮化層的保護(hù) 鍍錫鍍錫 熔點(diǎn)熔點(diǎn)232C232C，錫熔化后吸附在工件表面，阻礙，錫

34、熔化后吸附在工件表面，阻礙氮原子滲入，鍍錫層厚：氮原子滲入，鍍錫層厚：0.0040.0040.008mm0.008mm 涂料涂料 水玻璃石墨粉，涂后烘干，涂水玻璃石墨粉，涂后烘干，涂2 23 3次。次。3 3、氮化工藝參數(shù)、氮化工藝參數(shù) 氮化溫度氮化溫度 500500530C530C 氮化時(shí)間氮化時(shí)間 氮化速度為氮化速度為0.0050.0050.02mm/h,0.02mm/h,氮氮化層深度為化層深度為0.40.40.7mm0.7mm，需要幾十個(gè)小時(shí)。，需要幾十個(gè)小時(shí)。氨氣分解率的影響氨氣分解率的影響 氮化氣氛：分解氨氮化氣氛：分解氨 NHNH3 3N+3/2HN+3/2H2 2 氨分解率氨分解

35、率( (氮?dú)怏w積氫氣體積氮?dú)怏w積氫氣體積)/)/爐氣總體積爐氣總體積 分解率高，工件表面吸附大量的氫氣，防礙氨分解率高，工件表面吸附大量的氫氣，防礙氨的吸收，使表面氨濃度降低，氮化層深度減小。的吸收，使表面氨濃度降低，氮化層深度減小。 分解率過低，大量的氨來不及分解，提供活性分解率過低，大量的氨來不及分解，提供活性氮原子的幾率減少，也降低氮化速度。氮原子的幾率減少，也降低氮化速度。 試驗(yàn)表明，當(dāng)分解率在試驗(yàn)表明，當(dāng)分解率在15154040左右時(shí)，鋼件左右時(shí)，鋼件吸收氨的速度最快。吸收氨的速度最快。4 4、氣體氮化工藝、氣體氮化工藝 等溫氮化法等溫氮化法 為了使?jié)B層的硬度梯度變得盡可能平緩，增加

36、滲層的深度，可在氮化過程前期，用較低的氨分解率(1825)。使工件表面迅速吸收大量氮原子，提高表面的氮濃度，從而形成彌散度大的氮比物，以提高表面的硬度。氮化的第二階段可提高氮的分解率(一般30一40)，使?fàn)t氣中活性氮原子得到稀釋，表層的氮濃度不致進(jìn)一步提高，而且還使氮原子不斷地向內(nèi)層擴(kuò)散，增加了滲層的厚度。 為了降低氮化層的脆件，在氮化結(jié)束前2h進(jìn)行退氮處理，使氮繼續(xù)向內(nèi)層擴(kuò)散，以降低表而的氮濃度。此時(shí)可將氨分解率控制在70以上。二段氮化法二段氮化法 第二階段把溫度提高到550一570，氨分解率控制在40一60之間，目的是加速氮在鋼中的擴(kuò)散，以增加氮化層深度。由于第一階段形成的氯化物穩(wěn)定性高，

37、在第二階段稍提高溫度時(shí)，氮化物不會顯著聚集長大，因此硬度下降不多，面且可使氮化層的硬度分布趨于平緩。三段氮化法三段氮化法 三段氮化法是在二段氮化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它的特點(diǎn)是第二階段的溫度比二段氮化的更高一些，一般為560580，以進(jìn)一步提高氮化速度，達(dá)到一定氮化深度后，再將溫度降至相當(dāng)于第一段的溫度或稍高的溫度下繼續(xù)氮化，使表層氮濃度達(dá)到最佳濃度，而不致使表面硬度過低。 工藝路線：工藝路線： 鍛造鍛造正火正火粗加工粗加工調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) 精加工精加工去應(yīng)力去應(yīng)力粗磨粗磨氮化氮化 精磨或研磨精磨或研磨40Cr 滲氮空冷滲氮空冷+心部原始組織（心部原始組織（ S回回） 4%硝酸酒精溶液硝酸酒精溶液454

38、0CrS回回 四、加速氮化的方法四、加速氮化的方法 1 1、離子氮化、離子氮化 利用高壓電場在含利用高壓電場在含 氮的稀薄氣體中引起氮的稀薄氣體中引起 輝光放電，使氣體電輝光放電，使氣體電 離，產(chǎn)生活性氮原子離，產(chǎn)生活性氮原子 滲入工件表面的過程。滲入工件表面的過程。離子氮化的特點(diǎn)離子氮化的特點(diǎn) 氮化速度快，生產(chǎn)周期短氮化速度快，生產(chǎn)周期短 a)陰極濺射作用使表面活化，促進(jìn)了氮化反應(yīng)陰極濺射作用使表面活化，促進(jìn)了氮化反應(yīng) b)氮的正離子在電場的作用下，轟擊表面，產(chǎn)氮的正離子在電場的作用下，轟擊表面，產(chǎn)生濺射的同時(shí)，氮原子直接進(jìn)入金屬，滲入速度生濺射的同時(shí)，氮原子直接進(jìn)入金屬，滲入速度快。同樣的

39、氮化層深度，時(shí)間僅為氣體滲氮的快。同樣的氮化層深度，時(shí)間僅為氣體滲氮的1/21/3. 氮化層質(zhì)量好氮化層質(zhì)量好 陰極濺射有抑制脆性相生成的作用，避免陰極濺射有抑制脆性相生成的作用，避免生成脆性的生成脆性的相，明顯提高了氮化層的韌性相，明顯提高了氮化層的韌性和疲勞強(qiáng)度。和疲勞強(qiáng)度。工件變形小工件變形小 加熱溫度低，時(shí)間短加熱溫度低，時(shí)間短 氮化前不需去鈍化處理，陰極濺射能有效除氮化前不需去鈍化處理，陰極濺射能有效除去鈍化去鈍化 工藝特點(diǎn)：工藝特點(diǎn)： 對材料的適應(yīng)性強(qiáng)。對材料的適應(yīng)性強(qiáng)。滲氮用鋼、碳鋼、滲氮用鋼、碳鋼、合金鋼和鑄鐵都能進(jìn)行離子滲氮，但專合金鋼和鑄鐵都能進(jìn)行離子滲氮，但專用滲氮鋼（如用滲氮鋼（如38CrMoAlA）效果最佳。）效果最佳。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：投資高，溫度分布不均，測溫困投資高，溫度分布不均，測溫困難和操作要求嚴(yán)格等。難和操作要求嚴(yán)格等。 2 2、潔凈氮化、潔凈氮化 在氮化氣氛中加入氯化銨，可潔凈工件在氮化氣氛中加