化學(xué)熱處理和表面淬火

1、 化學(xué)熱處理與表面淬火河北工業(yè)大學(xué)河北工業(yè)大學(xué) 教授教授金屬材料系金屬材料系 主任主任 武建軍武建軍 博士博士3 鋼的化學(xué)熱處理和表面淬火n定義：化學(xué)熱處理是將工件置于一定的介質(zhì)中定義：化學(xué)熱處理是將工件置于一定的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，改變表面層的層，改變表面層的化學(xué)成分及顯微組織化學(xué)成分及顯微組織，從而，從而使工件表層獲得所需特殊性能的熱處理工藝。使工件表層獲得所需特殊性能的熱處理工藝。n根據(jù)滲入的元素來命名根據(jù)滲入的元素來命名n滲碳、氮化、碳氮共滲等可提高工件表面的硬滲碳、氮化、碳氮共滲等可提高工件表面的硬度、耐磨性以及疲

2、勞強(qiáng)度；滲氮、滲硅、滲鋁度、耐磨性以及疲勞強(qiáng)度；滲氮、滲硅、滲鋁等用于提高工件的抗腐蝕性、抗氧化性，等用于提高工件的抗腐蝕性、抗氧化性，n應(yīng)用最廣的化學(xué)熱處理是滲碳、氮化和碳氮共應(yīng)用最廣的化學(xué)熱處理是滲碳、氮化和碳氮共滲。滲。 化學(xué)熱處理的基本過程分解n化學(xué)介質(zhì)在高溫下化學(xué)介質(zhì)在高溫下(分解或蒸發(fā)分解或蒸發(fā))釋放出釋放出待滲的活性原子，例如待滲的活性原子，例如 2CO CO2 +Cn影響因素：影響因素：n反應(yīng)溫度n介質(zhì)濃度n催化劑種類等化學(xué)熱處理的基本過程吸收n活性原子被零件表面吸附，進(jìn)而溶解或活性原子被零件表面吸附，進(jìn)而溶解或反應(yīng)。反應(yīng)。n根據(jù)作用力性質(zhì)，分為化學(xué)吸附和物理根據(jù)作用力性質(zhì)，分

3、為化學(xué)吸附和物理吸附。吸附。n影響因素：影響因素：n溫度n表面活性n表面面積等化學(xué)熱處理的基本過程擴(kuò)散n擴(kuò)散是由于原子等微粒熱運(yùn)動(dòng)引起的物擴(kuò)散是由于原子等微粒熱運(yùn)動(dòng)引起的物質(zhì)傳輸現(xiàn)象。質(zhì)傳輸現(xiàn)象。n活性原子由零件表面向內(nèi)部擴(kuò)散活性原子由零件表面向內(nèi)部擴(kuò)散, 形成一形成一定深度的擴(kuò)散層（固溶體，或化合物）定深度的擴(kuò)散層（固溶體，或化合物）n 擴(kuò)散的阻力和條件擴(kuò)散的阻力和條件n擴(kuò)散與原子熱運(yùn)動(dòng)相關(guān)，阻力就是周圍原子對(duì)運(yùn)動(dòng)原子的限制（擴(kuò)散激活能），n不是所有原子都可以移動(dòng)的！阻力（和鍵能相關(guān)）大小不易改變n因此必須在滿足以下條件才能實(shí)現(xiàn)n（1）擴(kuò)散原子能固溶；n（2）具有驅(qū)動(dòng)力：如濃度梯度，溫度梯度

4、。n（3）溫度足夠高；n（4）時(shí)間足夠長；加速化學(xué)熱處理的措施n提高活性物質(zhì)的濃度提高活性物質(zhì)的濃度n提高溫度提高溫度n活化金屬表面，如凈化活化表面活化金屬表面，如凈化活化表面n提高活性粒子的活性，如電場加速提高活性粒子的活性，如電場加速n改變基體材料改變基體材料n復(fù)合滲等復(fù)合滲等擴(kuò)散定律擴(kuò)散定律n菲克（菲克（A. Fick）于）于1855年通過實(shí)驗(yàn)獲得了關(guān)于年通過實(shí)驗(yàn)獲得了關(guān)于穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散的第一定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散的第一定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為n即即在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散流量面積的擴(kuò)散流量J與濃度梯度成正比，與濃度梯度成正比

5、，n式中式中D為擴(kuò)散系數(shù)，為擴(kuò)散系數(shù)，J為擴(kuò)散通量，負(fù)號(hào)表示擴(kuò)為擴(kuò)散通量，負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反。散方向與濃度梯度方向相反。dxdCDJ影響擴(kuò)散系數(shù)的因素影響擴(kuò)散系數(shù)的因素n溫度溫度n晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)n固溶體類型固溶體類型n濃度濃度n晶體缺陷晶體缺陷擴(kuò)散方程的一個(gè)解n純鐵滲碳時(shí)，在含碳量不變的氣氛中，純鐵滲碳時(shí)，在含碳量不變的氣氛中，C C濃度分布的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果符合很濃度分布的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果符合很好好DtxerfCCCCSS2)(0一一維維半半無無限限長長問問題題及及其其解解擴(kuò)散方向表面擴(kuò)散元素濃度Cs且恒定擴(kuò)散物體中擴(kuò)散元素濃度C0Cs0 xCt1t2t3t1t2750

6、 開始甲醇，開始甲醇，900 煤油。到溫后延煤油。到溫后延續(xù)續(xù)3060分鐘分鐘n滲碳階段：正壓滲碳階段：正壓150200Pa，用富碳滲劑滴，用富碳滲劑滴量控制碳勢(shì)。兩段法滲層碳濃度梯度小，結(jié)合量控制碳勢(shì)。兩段法滲層碳濃度梯度小，結(jié)合好，滲速較快好，滲速較快n降溫階段：降溫至出爐溫度降溫階段：降溫至出爐溫度滴注式氣體滲碳n操作要點(diǎn)操作要點(diǎn)n表面清潔；n同一爐零件材料、技術(shù)要求相同；n爐內(nèi)正壓，廢氣點(diǎn)燃；n零件之間氣氛流通；n經(jīng)常校對(duì)碳勢(shì)；n嚴(yán)禁在750以下向爐內(nèi)滴入有機(jī)液體，防爆吸熱式氣氛滲碳n將碳?xì)浠衔餁怏w與空氣按一定比例混將碳?xì)浠衔餁怏w與空氣按一定比例混合后，在催化劑和加熱條件下進(jìn)行吸熱

7、合后，在催化劑和加熱條件下進(jìn)行吸熱反應(yīng)，得到碳勢(shì)較低的滲碳?xì)夥?。反?yīng)，得到碳勢(shì)較低的滲碳?xì)夥?。n富化氣多采用丙烷?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)富化富化氣多采用丙烷?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)富化氣流量實(shí)現(xiàn)爐氣碳勢(shì)的調(diào)節(jié)氣流量實(shí)現(xiàn)爐氣碳勢(shì)的調(diào)節(jié)n（一般）用于連續(xù)作業(yè)爐，常用即可（一般）用于連續(xù)作業(yè)爐，常用即可n連續(xù)式滲碳爐分為加熱、滲碳、擴(kuò)散、連續(xù)式滲碳爐分為加熱、滲碳、擴(kuò)散、冷卻四個(gè)區(qū)，可以對(duì)碳勢(shì)和溫度進(jìn)行分冷卻四個(gè)區(qū)，可以對(duì)碳勢(shì)和溫度進(jìn)行分區(qū)控制區(qū)控制n氣體滲碳的優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)率高，勞動(dòng)條件好，滲碳過程容易控制，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，適用于大批量生產(chǎn)。離子滲碳與真空滲碳特點(diǎn)n在低真空條件下滲碳在低真空條件下滲碳n可以采用較

8、高的溫度（和電場加速），可以采用較高的溫度（和電場加速），效率高效率高n滲層均勻，尤其是小孔滲層均勻，尤其是小孔n節(jié)能節(jié)能n節(jié)省滲劑，環(huán)境好節(jié)省滲劑，環(huán)境好固體滲碳固體滲碳傳統(tǒng)工藝滲碳工藝：工件+滲碳劑密封裝入滲碳箱， 加熱至900950保溫。固體滲碳劑：碳粉和碳酸鹽(BaCO3或Na2CO3) 的混合物。化學(xué)反應(yīng)： C+O22CO BaCO3或Na2CO3BaO（或Na2O）+CO2 CO2+C 2CO 2COC+CO2固體滲碳的特點(diǎn)n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n設(shè)備簡單，不需要專門設(shè)備n適應(yīng)性大，n操作簡單n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：n淬火麻煩n勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作條件差n質(zhì)量不易控制（溫度，碳勢(shì)）液體滲碳n鹽浴中加熱，

9、實(shí)現(xiàn)滲碳鹽浴中加熱，實(shí)現(xiàn)滲碳n鹽浴中含有加熱介質(zhì)，如鹽浴中含有加熱介質(zhì)，如NaCl，供碳物，供碳物質(zhì)，如質(zhì)，如NaCN，和催滲劑，和催滲劑,如如NaCO3n優(yōu)點(diǎn)：變形小，滲速快，滲層均勻優(yōu)點(diǎn)：變形小，滲速快，滲層均勻n缺點(diǎn)：對(duì)人有毒，環(huán)境污染，缺點(diǎn)：對(duì)人有毒，環(huán)境污染，滲碳后熱處理n熱處理方法與鋼種、力學(xué)性能要求有關(guān)熱處理方法與鋼種、力學(xué)性能要求有關(guān)直接淬火直接淬火n預(yù)冷至預(yù)冷至850880后直接淬入油中或水中，后直接淬入油中或水中，180200進(jìn)行低溫回火。進(jìn)行低溫回火。n預(yù)冷預(yù)冷 ：減少淬火變形及開裂，使表層析出碳化物，減少淬火變形及開裂，使表層析出碳化物，降低奧氏體的含碳量，從而降低淬火

10、后的殘余奧氏體降低奧氏體的含碳量，從而降低淬火后的殘余奧氏體量，提高表層硬度。量，提高表層硬度。 特點(diǎn)特點(diǎn)： 操作簡單、成本低，生產(chǎn)率高，適用于滲碳操作簡單、成本低，生產(chǎn)率高，適用于滲碳件的心部和表層都不過熱的情況下；此外預(yù)冷過程中件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)狀析出，對(duì)工件淬火，二次滲碳體沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，對(duì)工件淬火后的性能不利。后的性能不利。 用途用途：大批量生產(chǎn)的汽車、拖拉機(jī)齒輪常用此法。大批量生產(chǎn)的汽車、拖拉機(jī)齒輪常用此法。一次淬火法一次淬火法 工件經(jīng)滲碳空冷后，再重新加熱進(jìn)行淬火，然工件經(jīng)滲碳空冷后，再重新加熱進(jìn)行淬火，然后在后在18

11、0200回火?；鼗?。 淬火溫度選擇取決于性能要求：淬火溫度選擇取決于性能要求： 心部要求較高時(shí)，略高于心部要求較高時(shí)，略高于Ac3;Ac3; 心部要求不高，稍高于心部要求不高，稍高于Ac1;Ac1; 兼顧心部和表面性能：稍低于兼顧心部和表面性能：稍低于Ac3;Ac3; 由于奧氏體晶粒細(xì)化，性能提高，由于奧氏體晶粒細(xì)化，性能提高， 適用于比較適用于比較重要的零件，如高速柴油機(jī)齒輪等。重要的零件，如高速柴油機(jī)齒輪等。二次淬火法二次淬火法n滲碳空冷后，先加熱到滲碳空冷后，先加熱到AcAc3 3以上以上( (一般為一般為850850900900) )油淬，使心部組織細(xì)化，消油淬，使心部組織細(xì)化，消除表

12、層網(wǎng)狀滲碳體；然后再加熱到除表層網(wǎng)狀滲碳體；然后再加熱到AcAc1 1以以上上( (一般為一般為750750800800) )油淬，最后在油淬，最后在180180200200進(jìn)行回火。進(jìn)行回火。n二次淬火法使工件表層和心部組織被細(xì)二次淬火法使工件表層和心部組織被細(xì)化，從而獲得較好的力學(xué)性能。但工藝化，從而獲得較好的力學(xué)性能。但工藝復(fù)雜，成本高；經(jīng)反復(fù)加熱冷卻時(shí)易產(chǎn)復(fù)雜，成本高；經(jīng)反復(fù)加熱冷卻時(shí)易產(chǎn)生變形、開裂、氧化等。所以只適用于生變形、開裂、氧化等。所以只適用于少數(shù)對(duì)性能要求特別高的工件。少數(shù)對(duì)性能要求特別高的工件。滲碳零件應(yīng)用舉例n中等模數(shù)的汽車齒輪選用中等模數(shù)的汽車齒輪選用20CrMnT

13、i材材料，加工工藝路線為：下料、鍛造、正料，加工工藝路線為：下料、鍛造、正火、切削加工、滲碳淬火回火、噴丸、火、切削加工、滲碳淬火回火、噴丸、磨削磨削n正火：消除鍛造應(yīng)力，細(xì)化晶粒，調(diào)整正火：消除鍛造應(yīng)力，細(xì)化晶粒，調(diào)整硬度，改善切削加工性硬度，改善切削加工性n滲碳淬火：提高齒面強(qiáng)度、硬度、耐磨滲碳淬火：提高齒面強(qiáng)度、硬度、耐磨性性n低溫回火：消除淬火應(yīng)力，提高韌性低溫回火：消除淬火應(yīng)力，提高韌性滲滲碳碳層層的的退退火火組組織織過共析組織過共析組織(P+Fe3C) 共析組織共析組織(P) 過渡區(qū)亞共析組織過渡區(qū)亞共析組織(P+F) 原始亞共析組織原始亞共析組織(F+P) 滲碳工件的最終組織滲碳

14、工件的最終組織 針狀回火馬氏體針狀回火馬氏體+ +碳化物碳化物+ +少量殘余奧氏體少量殘余奧氏體 硬度為硬度為585864HRC64HRC，而心部組織則隨鋼的淬透，而心部組織則隨鋼的淬透性和淬火加熱溫度而定。性和淬火加熱溫度而定。 對(duì)于低碳鋼如對(duì)于低碳鋼如1515、2020鋼，其心部組織為鐵素體鋼，其心部組織為鐵素體+ +珠光體，硬度相當(dāng)于珠光體，硬度相當(dāng)于101015HRC15HRC； 對(duì)于低碳合金鋼如對(duì)于低碳合金鋼如20CrMnTi20CrMnTi，心部組織為回，心部組織為回火低碳馬氏體火低碳馬氏體+ +鐵素體，硬度為鐵素體，硬度為353545HRC45HRC。滲碳件質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目n設(shè)計(jì)技術(shù)

15、條件設(shè)計(jì)技術(shù)條件：滲碳層深度滲碳層深度、表面硬度表面硬度、心部硬度心部硬度及及不允許滲碳不允許滲碳的部位等的部位等n不允許滲碳的部位不允許滲碳的部位可采用鍍銅的方法來可采用鍍銅的方法來防止?jié)B碳或多留加工余量。防止?jié)B碳或多留加工余量。n按工藝要求，可以檢驗(yàn)按工藝要求，可以檢驗(yàn)n硬度：一般用硬度：一般用HRCn深層深度深層深度:可以用宏觀端口法，顯微組織可以用宏觀端口法，顯微組織分析，顯微硬度測(cè)量等方法分析，顯微硬度測(cè)量等方法n金相組織：淬硬層，心部組織：金相組織：淬硬層，心部組織：常見缺陷及預(yù)防（137）n淬火后硬度低：表面碳濃度偏低或脫碳，冷卻淬火后硬度低：表面碳濃度偏低或脫碳，冷卻不合理（出

16、現(xiàn)不合理（出現(xiàn)T或較多或較多A)n滲層出現(xiàn)大塊或網(wǎng)狀碳化物滲層出現(xiàn)大塊或網(wǎng)狀碳化物:碳勢(shì)過高碳勢(shì)過高n滲層深度不均：溫度不均、循環(huán)不良，表面不滲層深度不均：溫度不均、循環(huán)不良，表面不清潔，表面積炭清潔，表面積炭n心部偏軟或偏硬：與淬火溫度高低、冷卻快慢，心部偏軟或偏硬：與淬火溫度高低、冷卻快慢，心部含碳量有關(guān)心部含碳量有關(guān)n表面出現(xiàn)非馬氏體組織：形成合金元素的氧化表面出現(xiàn)非馬氏體組織：形成合金元素的氧化物，降低表面淬透性物，降低表面淬透性n消除方法見消除方法見p1373.2 滲氮n氮化就是向工件表面滲入氮、形成氮化物的處氮化就是向工件表面滲入氮、形成氮化物的處理工藝，其目的是提高工件表面的硬度

17、、耐磨理工藝，其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強(qiáng)度。性、耐蝕性及疲勞強(qiáng)度。n氮化工藝特點(diǎn)氮化工藝特點(diǎn)n溫度低 500570n時(shí)間長 :一般需要2050 h，氮化層厚度只有0.30.5 mmn用于精密零件，用于精密零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸、排氣閥、精如發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸、排氣閥、精密機(jī)床絲杠、鏜床主軸、汽輪機(jī)閥門等密機(jī)床絲杠、鏜床主軸、汽輪機(jī)閥門等 滲氮件的性能滲氮件的性能 高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性 合金氮化物層，合金氮化物層，100010001100HV1100HV，而且在而且在600600650650下保持不下降；下保持不下降；疲勞極限高疲勞極限高 滲氮層的體積增大產(chǎn)生殘余壓應(yīng)

18、力，滲氮層的體積增大產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，疲勞極限提高達(dá)疲勞極限提高達(dá)15%15%35%35%；高的耐蝕性能高的耐蝕性能 致密耐蝕的氮化物，工件在水、過致密耐蝕的氮化物，工件在水、過熱的蒸氣和堿性溶液中都很穩(wěn)定；熱的蒸氣和堿性溶液中都很穩(wěn)定；氣體滲氮 氣體滲氮?dú)怏w滲氮 在氣體介質(zhì)中進(jìn)行滲氮的工藝稱為在氣體介質(zhì)中進(jìn)行滲氮的工藝稱為氣體滲氮。氣體滲氮。 工藝過程工藝過程 在滲氮爐內(nèi)通入氨氣，在在滲氮爐內(nèi)通入氨氣，在380380以上以上氨分解出活性氮原子氨分解出活性氮原子:2NH:2NH3 33H3H2 2+2N+2N 活性氮原子被工件表面吸收并溶入表面，在?；钚缘颖还ぜ砻嫖詹⑷苋氡砻?，在保溫過程

19、中向里擴(kuò)散，形成滲氮層。溫過程中向里擴(kuò)散，形成滲氮層。n周期長，操作復(fù)雜，質(zhì)量不穩(wěn)定。周期長，操作復(fù)雜，質(zhì)量不穩(wěn)定。氨分解率n分解得到的氮、氫氣體占爐氣體積的百分比分解得到的氮、氫氣體占爐氣體積的百分比n如果氨分解率過高，工件表面吸附大量氫原子，如果氨分解率過高，工件表面吸附大量氫原子，妨礙氮的吸收；妨礙氮的吸收；n如果氨分解率過低，提供的活性氮原子很少，如果氨分解率過低，提供的活性氮原子很少，也降低氮化速度也降低氮化速度n實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)氨分解率在實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)氨分解率在1540%，氮吸收，氮吸收最快（實(shí)際溫度下不可能這樣低）最快（實(shí)際溫度下不可能這樣低）n氨分解率與溫度、氨分解率與溫度、氨氣流量

20、氨氣流量、工件表面積、有、工件表面積、有無活性劑等有關(guān)無活性劑等有關(guān)氣體氮化工藝n溫度：溫度：500570Cn時(shí)間：根據(jù)深度確定時(shí)間：根據(jù)深度確定n階段升溫，溫度均勻，滲層均勻，變形??；階段升溫，溫度均勻，滲層均勻，變形??；n滲氮工藝方法：一段滲氮，二段滲氮（強(qiáng)滲、滲氮工藝方法：一段滲氮，二段滲氮（強(qiáng)滲、擴(kuò)散），三段滲氮（強(qiáng)滲、擴(kuò)散、強(qiáng)滲提高表擴(kuò)散），三段滲氮（強(qiáng)滲、擴(kuò)散、強(qiáng)滲提高表面硬度）面硬度）n控制氨分解率：在溫度一定時(shí)，通過控制氨分控制氨分解率：在溫度一定時(shí)，通過控制氨分解率解率 控制氮?jiǎng)荩狠^低，氮?jiǎng)莞撸◤?qiáng)滲階段）；控制氮?jiǎng)荩狠^低，氮?jiǎng)莞撸◤?qiáng)滲階段）；較高，脆性降低（擴(kuò)散階段，較高，脆

21、性降低（擴(kuò)散階段，60%）n較快的冷卻可降低脆性較快的冷卻可降低脆性離子滲氮離子滲氮n在低于一個(gè)大氣壓（一般在低于一個(gè)大氣壓（一般1-10mmHg）的氨氣中，的氨氣中，n在電場作用下在電場作用下(工件，爐壁工件，爐壁，4004001000V1000V)，氨氣被電離成含氮的正離子和電子，高氨氣被電離成含氮的正離子和電子，高能量含氮離子高速轟擊工件表面，陰極能量含氮離子高速轟擊工件表面，陰極工件表面形成一層紫色輝光，這種滲氮工件表面形成一層紫色輝光，這種滲氮工藝稱為工藝稱為(輝光輝光)離子滲氮（離子滲氮（plasma nitriding）。）。離子滲氮工藝過程離子滲氮工藝過程n高能量氮離子高速轟擊

22、工件表面，高能量氮離子高速轟擊工件表面，動(dòng)能動(dòng)能熱能熱能，工件表面溫升到，工件表面溫升到450450650650；同；同時(shí)氮離子在陰極上奪取電子后，還原成時(shí)氮離子在陰極上奪取電子后，還原成氮原子滲入工件表面，形成滲氮層。氮原子滲入工件表面，形成滲氮層。n另外，氮離子轟擊工件表面時(shí)，還能產(chǎn)另外，氮離子轟擊工件表面時(shí)，還能產(chǎn)生陰極濺射效應(yīng)而濺射出鐵離子，鐵離生陰極濺射效應(yīng)而濺射出鐵離子，鐵離子形成氮化鐵子形成氮化鐵(FeN)(FeN)附著在工件表面并依附著在工件表面并依次分解為次分解為FeFe2 2N N、FeFe3 3N N、FeFe4 4N N放出氮原子向放出氮原子向工件內(nèi)部擴(kuò)散，形成滲氮層。

23、工件內(nèi)部擴(kuò)散，形成滲氮層。離子滲氮特點(diǎn)離子滲氮特點(diǎn)F速度快、周期短。速度快、周期短。38CrMoAlA38CrMoAlA要達(dá)到要達(dá)到0.530.530.7mm0.7mm深的深的滲層，滲層， 151520h20h（氣體滲氮法氣體滲氮法50h50h）。）。F質(zhì)量高。質(zhì)量高。由于陰極濺射有抑制生成脆性層的作用，所由于陰極濺射有抑制生成脆性層的作用，所以明顯提高滲氮層的韌性和疲勞性質(zhì)。以明顯提高滲氮層的韌性和疲勞性質(zhì)。F工件變形小。工件變形小。陰極濺射效應(yīng)使工件尺寸略有減小，可陰極濺射效應(yīng)使工件尺寸略有減小，可抵消氮化物形成引起的尺寸增大。適用于處理精密零件抵消氮化物形成引起的尺寸增大。適用于處理精密

24、零件和復(fù)雜零件，如和復(fù)雜零件，如38CrMoAlA38CrMoAlA鋼制成的長鋼制成的長9009001000mm1000mm、外、外徑徑27mm27mm的螺桿，滲氮后其彎曲變形小于的螺桿，滲氮后其彎曲變形小于5m5m。離子滲氮離子滲氮工藝特點(diǎn)：工藝特點(diǎn)：F對(duì)材料的適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)材料的適應(yīng)性強(qiáng)。滲氮用鋼、碳鋼、合金鋼和鑄鐵滲氮用鋼、碳鋼、合金鋼和鑄鐵都能進(jìn)行離子滲氮，但專用滲氮鋼（如都能進(jìn)行離子滲氮，但專用滲氮鋼（如38CrMoAlA38CrMoAlA）效）效果最佳。果最佳。F氨氣利用率高，對(duì)環(huán)境影響小氨氣利用率高，對(duì)環(huán)境影響小缺點(diǎn)缺點(diǎn)：投資高，溫度分布不均，測(cè)溫困難和操作要求嚴(yán)投資高，溫度分布不

25、均，測(cè)溫困難和操作要求嚴(yán)格等。格等。氮化應(yīng)用氮化應(yīng)用應(yīng)應(yīng) 用：用：交變載荷下工作并要求耐磨的重要結(jié)構(gòu)零交變載荷下工作并要求耐磨的重要結(jié)構(gòu)零件，如高速傳動(dòng)的精密齒輪、高速柴油機(jī)曲軸、高精度件，如高速傳動(dòng)的精密齒輪、高速柴油機(jī)曲軸、高精度機(jī)床主軸及在高溫下工作的耐熱、耐蝕、耐磨零件如齒機(jī)床主軸及在高溫下工作的耐熱、耐蝕、耐磨零件如齒輪套、閥門、排氣閥等。輪套、閥門、排氣閥等。技術(shù)要求：技術(shù)要求：需選用含與需選用含與N N親合力大的親合力大的AlAl、CrCr、MoMo、TiTi、V V等合金元素的合金鋼，如等合金元素的合金鋼，如38CrMoAlA38CrMoAlA、35CrAlA35CrAlA、3

26、8CrMo38CrMo等。等。技術(shù)要求與工藝路線技術(shù)要求與工藝路線技術(shù)要求：技術(shù)要求：應(yīng)注明氮化層深度、表面硬度、氮應(yīng)注明氮化層深度、表面硬度、氮化部位、心部硬度等，對(duì)于零件上不需滲氮的化部位、心部硬度等，對(duì)于零件上不需滲氮的部位鍍錫或鍍銅保護(hù)，或增加加工余量、氮化部位鍍錫或鍍銅保護(hù)，或增加加工余量、氮化后去除。后去除。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 滲氮件檢驗(yàn)項(xiàng)目n表面硬度及脆性：一般用表面硬度及脆性：一般用HV（10kg）n滲層深度滲層深度:可以用顯微組織分析，顯微硬可以用顯微組織分析，顯微硬度測(cè)量等

27、方法度測(cè)量等方法n心部組織：游離鐵素體心部組織：游離鐵素體13級(jí)，應(yīng)無脫級(jí)，應(yīng)無脫碳層，粗大索氏體碳層，粗大索氏體n疏松檢驗(yàn)：一般疏松檢驗(yàn)：一般13級(jí)合格級(jí)合格滲氮鋼的預(yù)處理n氮化處理后只能進(jìn)行磨削、研磨加工氮化處理后只能進(jìn)行磨削、研磨加工n為了保證心部具有良好的力學(xué)性能，消為了保證心部具有良好的力學(xué)性能，消除加工應(yīng)力，減小氮化時(shí)的變形，以及除加工應(yīng)力，減小氮化時(shí)的變形，以及為氮化做好組織準(zhǔn)備，一般需要進(jìn)行調(diào)為氮化做好組織準(zhǔn)備，一般需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以獲得回火索氏體組織質(zhì)處理，以獲得回火索氏體組織n對(duì)變形和尺寸穩(wěn)定性要求較高的需要進(jìn)對(duì)變形和尺寸穩(wěn)定性要求較高的需要進(jìn)行穩(wěn)定化處理（高于氮化溫度但

28、是低于行穩(wěn)定化處理（高于氮化溫度但是低于回火溫度，回火溫度，46h保溫）保溫）滲氮缺陷及其防止方法n網(wǎng)狀及脈狀氮化物：溫度高，氮?jiǎng)莞撸W(wǎng)狀及脈狀氮化物：溫度高，氮?jiǎng)莞?，原始組織粗大，氨氣含水量大原始組織粗大，氨氣含水量大n魚骨狀氮化物：預(yù)處理脫碳魚骨狀氮化物：預(yù)處理脫碳n滲層厚度、硬度不均：表面不潔，氣體滲層厚度、硬度不均：表面不潔，氣體循環(huán)不良，溫度不均等循環(huán)不良，溫度不均等n變形大：溫度不均，機(jī)加工應(yīng)力，滲層變形大：溫度不均，機(jī)加工應(yīng)力，滲層厚，工件裝卡不合理，工件形狀復(fù)雜厚，工件裝卡不合理，工件形狀復(fù)雜n對(duì)應(yīng)處理對(duì)應(yīng)處理3.3 鋼的碳氮共滲n碳氮共滲是同時(shí)向工件表面滲入碳和氮碳氮共滲是同

29、時(shí)向工件表面滲入碳和氮的化學(xué)熱處理工藝的化學(xué)熱處理工藝 。n按照共滲溫度，可以分為高溫按照共滲溫度，可以分為高溫(900950 C)、中溫、中溫(700880 C)和和低溫低溫(500600 C)碳氮共滲三種，其中碳氮共滲三種，其中以中溫與低溫氣體碳氮共滲應(yīng)用較多以中溫與低溫氣體碳氮共滲應(yīng)用較多。 中溫氣體碳氮共滲n以滲碳為主，其工藝與氣體滲碳相似。以滲碳為主，其工藝與氣體滲碳相似。 n共滲溫度比滲碳溫度低，變形小，滲速也快。共滲溫度比滲碳溫度低，變形小，滲速也快。常用溫度常用溫度820880，要求的滲層厚度一般，要求的滲層厚度一般為為0.21.0 mm 。近年來，深層碳氮共滲代。近年來，深層

30、碳氮共滲代替滲碳，效果很好。替滲碳，效果很好。n中溫碳氮共滲的共滲層硬度與滲碳層相當(dāng)或略中溫碳氮共滲的共滲層硬度與滲碳層相當(dāng)或略高，耐磨性和疲勞強(qiáng)度則優(yōu)于滲碳層，且具有高，耐磨性和疲勞強(qiáng)度則優(yōu)于滲碳層，且具有加熱溫度低，工件變形小、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)。加熱溫度低，工件變形小、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)。n常用于處理形狀復(fù)雜、要求變形小的耐磨零件，常用于處理形狀復(fù)雜、要求變形小的耐磨零件，如縫紉機(jī)、紡織機(jī)零件及各種輕載齒輪等。如縫紉機(jī)、紡織機(jī)零件及各種輕載齒輪等。 工藝參數(shù)n共滲介質(zhì)：滲碳介質(zhì)氨氣；含碳氮的共滲介質(zhì)：滲碳介質(zhì)氨氣；含碳氮的有機(jī)化合物（如三乙醇胺，甲酰胺等），有機(jī)化合物（如三乙醇胺，甲酰胺等）

31、，我國常用煤油和氨氣我國常用煤油和氨氣n溫度：溫度：820860n時(shí)間：根據(jù)深度要求來決定時(shí)間：根據(jù)深度要求來決定氣體碳氮共滲氣氛控制n滴油量滴油量1520滴滴/m2min，通氨量為煤，通氨量為煤油氣化以后體積的油氣化以后體積的4050%（145）n換氣次數(shù)換氣次數(shù)2.53.0次次/hn大劑量排氣可以縮短排氣時(shí)間大劑量排氣可以縮短排氣時(shí)間n密封，爐壓密封，爐壓294490Pa,廢氣火苗高度廢氣火苗高度120150mm碳氮共滲組織與性能n與滲碳組織類似，直接淬火后典型組織與滲碳組織類似，直接淬火后典型組織為：細(xì)針狀馬氏體為：細(xì)針狀馬氏體A+碳氮化合物碳氮化合物n含氮量過高，容易出現(xiàn)黑色組織含氮量

32、過高，容易出現(xiàn)黑色組織n含氮量過低，容易實(shí)現(xiàn)屈氏體組織含氮量過低，容易實(shí)現(xiàn)屈氏體組織黑色組織及預(yù)防n黑色組織指碳氮共滲層中出現(xiàn)的黑點(diǎn)、黑色組織指碳氮共滲層中出現(xiàn)的黑點(diǎn)、黑帶和黑網(wǎng)。降低疲勞強(qiáng)度和耐磨性黑帶和黑網(wǎng)。降低疲勞強(qiáng)度和耐磨性n控制途徑控制途徑n氨氣流量適中（滲層氮含量適中0.30.5%)n適當(dāng)提高淬火溫度；n采用強(qiáng)冷卻介質(zhì)；n黑色組織深度10kHz2.淬透層深度淬透層深度28mm時(shí)，時(shí)， 選中頻加熱選中頻加熱f18kHz3.淬透層深度淬透層深度810mm時(shí)，時(shí)， 選工頻加熱選工頻加熱f50Hz感應(yīng)加熱表面淬火的分類感應(yīng)加熱表面淬火的分類n高頻701000kHz，常用200300kHz，

33、淬硬深度為0.52mm。中小模數(shù)齒輪、軸類零件等。n中頻50010000Hz，常用25008000Hz，淬硬深度210mm，直徑較大的軸類和較大模數(shù)的齒輪等。n工頻50Hz，淬硬深度達(dá)1015mm。直徑大于300mm的軋輥及軸類零件等。n超音頻2040kHz，(音頻1.5kW/cm2n 例如短軸、小齒輪可以同時(shí)加熱一次淬例如短軸、小齒輪可以同時(shí)加熱一次淬火，火， 而長軸、齒寬較大的中模數(shù)齒輪、而長軸、齒寬較大的中模數(shù)齒輪、 特大齒輪一般用連續(xù)加熱淬火特大齒輪一般用連續(xù)加熱淬火n同時(shí)加熱淬火的加熱參數(shù)主要是設(shè)備輸同時(shí)加熱淬火的加熱參數(shù)主要是設(shè)備輸出功率（可以換算比功率）和加熱時(shí)間出功率（可以換算

34、比功率）和加熱時(shí)間n連續(xù)加熱淬火的工藝參數(shù)主要是設(shè)備輸連續(xù)加熱淬火的工藝參數(shù)主要是設(shè)備輸出功率（可以換算比功率）、工件與感出功率（可以換算比功率）、工件與感應(yīng)器的相對(duì)速度（可以換算加熱時(shí)間）應(yīng)器的相對(duì)速度（可以換算加熱時(shí)間）n在電源、感應(yīng)器、工件等參數(shù)不變時(shí)，在電源、感應(yīng)器、工件等參數(shù)不變時(shí)，加熱溫度，加熱層深度取決于加熱時(shí)間，加熱溫度，加熱層深度取決于加熱時(shí)間，可根據(jù)圖表、經(jīng)驗(yàn)或嘗試確定可根據(jù)圖表、經(jīng)驗(yàn)或嘗試確定淬硬層深度n淬硬層深度和硬度是檢驗(yàn)感應(yīng)加熱表面淬硬層深度和硬度是檢驗(yàn)感應(yīng)加熱表面淬火質(zhì)量的主要指標(biāo)淬火質(zhì)量的主要指標(biāo)n淬硬層的合理分布對(duì)于提高疲勞強(qiáng)度非淬硬層的合理分布對(duì)于提高疲勞強(qiáng)

35、度非常重要，壓應(yīng)力常重要，壓應(yīng)力n一般，淬硬層深度是零件厚度的一般，淬硬層深度是零件厚度的1020時(shí)，可以獲得最佳力學(xué)性能時(shí)，可以獲得最佳力學(xué)性能n為防止開裂，軸端應(yīng)留為防止開裂，軸端應(yīng)留28mm不淬，不淬，相鄰兩淬硬區(qū)保持相鄰兩淬硬區(qū)保持10mm以上距離以上距離淬火冷卻n感應(yīng)加熱后，冷卻方法有感應(yīng)加熱后，冷卻方法有n噴射冷卻：冷卻介質(zhì)經(jīng)感應(yīng)器或冷卻器上小孔噴射出來，冷卻工件n浸液冷卻；同時(shí)加熱后浸液冷卻n埋油冷卻：感應(yīng)器和工件埋在冷卻液中，停止加熱時(shí)，自動(dòng)冷卻n常用介質(zhì)：水，聚乙烯醇水溶液，機(jī)油常用介質(zhì)：水，聚乙烯醇水溶液，機(jī)油回火n感應(yīng)淬火后的工件應(yīng)及時(shí)進(jìn)行低溫回火，感應(yīng)淬火后的工件應(yīng)及時(shí)進(jìn)行低溫回火，以消除應(yīng)力，防止變形開裂；并穩(wěn)定組以消除應(yīng)力，防止變形開裂；并穩(wěn)定組織，提高塑性韌性織，提高塑性韌性n回火方法主要有回火方法主要有n爐中回火：空氣，油介質(zhì)n自回火：淬火不冷透，利用余熱回火n感應(yīng)加熱回火：常見缺陷及原因（173）n開裂、淬硬層深度和硬度不合適、表