工藝鋼的化學(xué)熱處理

工藝鋼的化學(xué)熱處理第一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2、目的獲得單一材料難以獲得的性能或進(jìn)一步提高制件的使用性能。

1）碳鋼滲C或C、N共滲→（淬火）獲得表面高硬度、耐磨性，心部保持良好的塑韌性。

2）滲氮（軟N化或離子滲N）→表面耐磨、抗腐蝕

3）滲Al→提高工件表面抗氧化、耐磨性能力。第二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3、分類以滲入元素命名：滲金屬，滲非金屬。1）滲入非金屬元素：

單元滲：C、N、B、O、S、Si等；多元滲：C＋N、O＋N、O＋C＋N2）滲入金屬元素：

單元滲：Al、Cr、Ti、Nb、V、Zn

多元滲：Al＋Si、Al＋Cr、Al＋V、

Al＋Cr＋Si第三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3）滲入元素對表面性能作用分類：

提高滲層強(qiáng)度及耐磨性→滲C、N、B、Nb、V等。

高抗氧化、耐高溫→Al、Cr。

提高抗嚙合、抗擦傷→滲S、N、磷化等。

提高抗腐性能→滲N、滲Si、滲Zn。4）質(zhì)的物理狀態(tài)分：

固體―如固體滲C、固體滲B等。

液體―如鹽溶爐滲B或B、C、N共滲等，滲Al等金屬氣體―氣體滲C和C、N共滲。第四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日4）能獲得具有特殊性能的表面層

3）經(jīng)濟(jì)效果好2）具有較好的工藝性1）不受工件幾何形狀的限制4.鋼的化學(xué)熱處理具有如下特點(diǎn)第五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日不受工件幾何形狀的限制即任何幾何形狀復(fù)雜的工件經(jīng)過化學(xué)熱處理后，均可獲得沿其輪廓分布的均一的表面化學(xué)熱處理層

具有較好的工藝性如開裂傾向較?。惶幚頊囟确秶^寬；對冷卻介質(zhì)的敏感性較小等等第六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日經(jīng)濟(jì)效果好能獲得具有特殊性能的表面層廉價(jià)的鋼材經(jīng)化學(xué)熱處理后可獲得表面性能高的工件。經(jīng)化學(xué)熱處理的碳鋼件的表層性能不亞于同類合金鋼的性能。如耐腐蝕性、耐磨性等第七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日5.1基本原理一、化學(xué)熱處理的基本過程基本過程——

大致分為三個(gè)階段：1.分解階段：滲劑中的化學(xué)反應(yīng)分解出滲入元素的活性原子2.吸收階段：活性原子被金屬表面吸收3.擴(kuò)散階段：滲入原子在金屬基體內(nèi)達(dá)到一定濃度后從工件表面向內(nèi)部擴(kuò)散第八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1、滲劑分解滲劑一般由含有被滲元素的物質(zhì)組成，有時(shí)加入一定量的催滲劑，催化滲劑分解反應(yīng)。滲劑必須具有一定活性。滲劑活性：在相界面反應(yīng)中易于分解出被滲元素原子的能力。催化劑：是促進(jìn)含有被滲元素的物質(zhì)分解或產(chǎn)生出活性原子的物質(zhì)。例如：滲碳時(shí)除木炭外加碳酸鋇或碳酸鈉界面反應(yīng)第九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日化學(xué)熱處理時(shí)滲劑分解出被滲元素活性原子的反應(yīng)有：1）分解反應(yīng)：如普通氣體滲碳、滲氮時(shí)，2）置換反應(yīng)：滲金屬時(shí)，3）還原反應(yīng)：如滲金屬時(shí)，第十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2、吸附過程及影響因素

固體表面對氣相的吸附作用按其作用力的性質(zhì)不同可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類。1）物理吸附：沒有電子轉(zhuǎn)移和化學(xué)鍵生成的吸附現(xiàn)象。這種吸附能迅速達(dá)到平衡，并在較低溫度下發(fā)生。溫度升高時(shí)吸附量下降，溫度下降時(shí)吸附量又增加。2）化學(xué)吸附：當(dāng)氣體（吸附質(zhì)）與金屬表面（吸附劑）接觸時(shí)二者以高速發(fā)生反應(yīng)形成化學(xué)鍵，即發(fā)生電子交換，組成離子鍵結(jié)合或共價(jià)鍵結(jié)合叫化學(xué)吸附?；瘜W(xué)吸附在低溫時(shí)速度較小，隨溫度升高明顯增大，這種吸附可以使分子解離。第十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日吸附是物質(zhì)在相界面上自動聚集的過程。吸附過程并非在固體表面均勻進(jìn)行，吸附中心往往出現(xiàn)在表面的一些缺陷處。吸收過程就是活性原子由鋼的表面進(jìn)入晶格的過程。鋼的表面上存在大量的位錯(cuò)和晶界，為活性原子的滲入提供了方便的通道。第十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

擴(kuò)散指金屬表面溶入被滲元素后，該元素濃度增加，形成濃度差，發(fā)生遷移現(xiàn)象。（1）純擴(kuò)散與反應(yīng)擴(kuò)散純擴(kuò)散指滲入元素原子在母相金屬中形成固溶體,在擴(kuò)散過程中不發(fā)生相變或化合物的形成和分解。純擴(kuò)散常發(fā)生在化學(xué)熱處理的初期，或滲劑的活性不足以形成飽和濃度的場合。如滲碳。反應(yīng)擴(kuò)散指通過擴(kuò)散使固溶體溶質(zhì)組元的濃度超過固溶度極限而形成新相的過程。3、化學(xué)熱處理的擴(kuò)散過程第十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日在化學(xué)熱處理中，滲入元素原子在金屬中形成的固溶體有兩種：當(dāng)滲入元素為原子半徑較小的非金屬元素（C、N、B)時(shí)，其與金屬形成間隙固溶體；當(dāng)滲入元素是金屬元素時(shí)，其與原金屬形成置換固溶體（鋁、鉻、硅、鋅等）。第十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日滲層指在鋼的表面滲入某種元素后，從表面向內(nèi)保持該元素較高濃度的距離。（2）影響滲層深度的因素：20MnSi930℃滲碳10h后硬度第十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1）滲層深度與擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系說明滲層深度δ與時(shí)間t呈拋物線關(guān)系；即延長化學(xué)熱處理時(shí)間，相鄰區(qū)域的濃度差減小，擴(kuò)散速度逐漸降低；隨時(shí)間延長，擴(kuò)散濃度的增加值也越來越少（先快后慢）。第十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2）滲層深度與溫度的關(guān)系滲層深度與溫度呈指數(shù)關(guān)系，因而溫度對深度的影響，遠(yuǎn)比時(shí)間的影響強(qiáng)。3）表面濃度愈高，相同擴(kuò)散時(shí)間條件下，滲層深度愈深。第十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日（3）擴(kuò)散層的組織結(jié)構(gòu)擴(kuò)散層的組織結(jié)構(gòu)可以根據(jù)基體金屬與滲入元素的合金狀態(tài)圖及擴(kuò)散條件來確定。第十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日擴(kuò)散層形成規(guī)律（滲劑B向金屬A擴(kuò)散為例）

T1CmCminAT/℃Cmax1234CmCminCmaxAnBm由表至里距離AnBmAnBm′α表面αAAnBm′αAAnBm′αAAnBmT1溫度下擴(kuò)散層組織變化過程第十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日第二十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日T1溫度下擴(kuò)散層組織AnBm′αAAnBm冷卻到室溫后擴(kuò)散層組織AnBm′αAAnBm快冷慢冷AnBm′AnBm′+αAAnBmα第二十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1、物理催滲法概念：是利用改變溫度、氣壓，或利用特定的物理場（等離子場、真空、高頻、電磁場等），加速滲劑的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，及加速滲入元素的擴(kuò)散等?；痉椒ǎ篈)高溫化學(xué)熱處理；B)高壓或負(fù)壓化學(xué)熱處理；C)高頻化學(xué)熱處理；D)采用彈性振蕩加速。二、加速化學(xué)熱處理過程的途徑第二十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2、化學(xué)催滲法概念：是在滲劑中加入一種或幾種化學(xué)試劑或物質(zhì)，促進(jìn)滲劑的分解，去除表面鈍化膜，改善工件表面活化狀態(tài)，以提高滲劑活性和增加活性原子的濃度。從而提高滲入能力。分類：A)鹵化物催滲法；B）提高滲劑活性的催滲方法。第二十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日5.2鋼的滲碳一、滲碳的概述概念：

將鋼件在碳的活性介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入表層的一種表面化學(xué)熱處理工藝。目的：提高零件的表面硬度、耐磨性高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度心部保持良好的塑性與韌性。第二十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日分類：按滲碳介質(zhì)狀態(tài)不同，分為固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳。以氣體滲碳應(yīng)用最廣泛。滲碳的材料

含碳量為0.1－0.3％的低碳鋼或合金鋼。

低淬透性、低強(qiáng)度

15、20、25

中等強(qiáng)度，淬透性

20Cr、20Mn2、20MnV

高強(qiáng)度，淬透性

20CrMnTi、

20CrMnMo等。超高強(qiáng)度

20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA

第二十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

(1)固體滲碳法固體滲碳過程主要由下列步驟組成：①在灼熱的固體碳表面上，CO2與碳反應(yīng)生成CO；②在金屬工件表面，CO分解析出活性碳原子；③活性碳原子被工件表面吸收，并向內(nèi)部擴(kuò)散。第二十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日a、固體滲碳劑固體滲碳劑主要由供碳劑、催化劑組成。供碳劑一般為木炭、焦炭；催化劑一般是碳酸鹽。木炭與滲碳箱內(nèi)的氧氣發(fā)生反應(yīng)：

C+O2→CO2,CO2+C→2CO2CO→CO2+[C]催化劑的反應(yīng)為：

BaCO3→BaO+CO2,CO2+C→2CONa2CO3→Na2O+CO2,CO2+C→2CO第二十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

b、固體滲碳工藝把工件埋入滲碳箱中，四周填滿固體滲碳劑，并用蓋和耐火泥將箱密封，然后送入加熱爐中，加熱至滲碳溫度(900～930°C)，保溫一定時(shí)間后出爐，即得所需樣品。第二十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日優(yōu)點(diǎn)：不需要專門的滲碳設(shè)備，操作簡單，成本低，大小零件都能用。缺點(diǎn)：滲速慢，滲碳時(shí)間長，滲層不易控制，不能直接淬火，勞動條件差，效率低。第二十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

(2)液體滲碳法在熔融狀態(tài)的鹽溶滲碳劑中進(jìn)行滲碳的工藝。1)、液體滲碳用鹽液體滲碳鹽浴一般由中性鹽和滲碳劑組成，中性鹽一般不參與滲碳反應(yīng)，主要起調(diào)整鹽浴密度、熔點(diǎn)和流動性的作用。傳統(tǒng)的滲碳鹽浴以NaCN為供碳劑，這種鹽浴相對易于控制，滲碳件表面碳含量較穩(wěn)定，但氰鹽有劇毒。近年來發(fā)展了低氰滲碳鹽浴（NaCN含量保持在0.7-2.3%）和無NaCN型滲碳鹽?。ㄓ媚咎糠酆蚐iC作為供碳劑）。第三十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

2)、液體滲碳工藝液體滲碳溫度及鹽浴活性是決定滲碳速度和表面碳含量的主要因素。對于滲層薄及變形要求嚴(yán)格的工件，可采用較低的滲碳溫度（850～900°C）；對于要求滲層厚者，滲碳溫度要高一些（910～950°C）。溫度一定條件下，滲碳保溫時(shí)間由滲層深度決定。3)、液體滲碳優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：加熱速度快，加熱均勻，滲碳后便于直接淬火，適合于處理中、小型零件。缺點(diǎn)：多數(shù)鹽浴有毒。第三十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日4)、液體滲碳后的冷卻方式①隨爐降溫或?qū)⒐ぜ浦恋葴夭壑蓄A(yù)冷，然后直接淬火（預(yù)冷溫度應(yīng)高于心部鐵素體析出的溫度）。②等溫槽預(yù)冷后，工件出爐空氣冷卻（預(yù)冷目的是為了減少表面脫碳及氧化），然后重新加熱淬火。第三十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3、氣體滲碳（1）概念：把工件放在一定溫度的富碳?xì)怏w介質(zhì)中，加熱和保溫進(jìn)行滲碳的工藝。（2）特點(diǎn)：

操作簡便，周期短，質(zhì)量容易控制，勞動條件好。氣體滲碳示意圖第三十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日氣體滲碳根據(jù)所用滲碳?xì)怏w的產(chǎn)生辦法及種類，可分為滴注式、吸熱式和氮基式三種氣體滲碳方法。1)、滴注式氣體滲碳滴注式氣體滲碳是指將苯、醇、煤油等有機(jī)液體直接滴入滲碳爐中裂解進(jìn)行氣體滲碳的方法。滴注式氣體滲碳，一般采用兩種有機(jī)液體同時(shí)滴入爐內(nèi)。一種液體高溫下分解產(chǎn)生的氣體碳勢較低，作為稀釋氣體；另一種液體高溫下分解產(chǎn)生的氣體碳勢較高，作為滲碳?xì)怏w。第三十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

滴注劑的選擇原則①滲碳能力強(qiáng)，足夠的活性原子用碳氧比與碳當(dāng)量衡量（液體介質(zhì)）

碳氧比：分子式中碳氧原子數(shù)之比。

C/O越大，分解的活性碳原子越多滲碳能力越強(qiáng)。甲醇CH2OHC/O=1

乙醇C2H2OHC/O=2

丙酮CH3COCH3C/O=3第三十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

碳當(dāng)量：產(chǎn)生一克分子碳所需該物質(zhì)的量。碳當(dāng)量越小，滲碳能力越強(qiáng)。甲醇CH2OH碳當(dāng)量＝64

乙醇C2H2OH碳當(dāng)量＝46

丙酮CH3COCH3碳當(dāng)量＝29

滲碳能力由強(qiáng)至弱順序：丙酮、乙丙酮、乙酸、乙脂、乙醇、甲醇②氣氛成分的穩(wěn)定性③原料經(jīng)濟(jì)，來源方便，無公害第三十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日碳勢調(diào)節(jié)方法：①改變兩種液體的滴入比例來調(diào)節(jié)碳勢。②使用幾種滲碳能力不同的液體，通過改變液滴來調(diào)節(jié)碳勢。滴注式氣體的滲碳過程:分為四個(gè)階段：排氣、強(qiáng)滲、擴(kuò)散及降溫出爐①排氣階段：加大滲碳劑（稀釋劑）滴量，使?fàn)t內(nèi)氧化性氣氛迅速減少。②強(qiáng)滲階段：滲碳劑滴量較多，保證爐氣有較高碳勢，以提高滲碳速度。第三十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日③擴(kuò)散階段：減少滲碳劑滴量，保持預(yù)定的碳勢，使表層過剩的碳向內(nèi)部擴(kuò)散，最后得到要求的深度及合適的碳含量分布。④降溫出爐階段：直接淬火的工件，隨爐冷至適宜的淬火溫度，保溫15～30min后出爐淬火；需重新加熱淬火的工件，自滲碳溫度出爐后在空氣中冷卻。第三十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2)、吸熱式氣氛氣體滲碳

吸熱式氣氛滲碳時(shí)，爐內(nèi)滲碳?xì)怏w由吸熱式氣體（CO、H2、N2、H2O、CO2、O2等）加富化氣（CH4、C3H8）組成。吸熱式氣氛由一定比例的原料氣（天然氣、丙烷、丁烷等碳?xì)浠衔铮┖涂諝饣旌?，通過內(nèi)部催化劑、外部加熱的反應(yīng)罐，經(jīng)吸熱反應(yīng)制備所得的氣氛。吸熱式氣氛的化學(xué)反應(yīng)通式：第三十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3)、氮基氣氛滲碳

氮基氣氛滲碳是一種以純氮為載體，添加碳?xì)浠衔镞M(jìn)行氣體滲碳的工藝方法。特點(diǎn)：①不需要?dú)怏w發(fā)生裝置。②成分與吸熱式氣氛基本相同，滲碳層深度的均勻性不低于吸熱式氣氛滲碳。③具有與吸熱式氣氛相同的點(diǎn)燃極限，由于N2能自動安全吹滅，故采用氮?dú)鈿夥盏墓に嚲哂懈蟮陌踩?。④滲碳速度不低于吸熱式氣氛滲碳。第四十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

(4)真空滲碳法是一種較新的氣體滲碳工藝。1)真空滲碳的溫度和適用范圍第四十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日特點(diǎn)a由于將滲碳溫度由普通氣體滲碳時(shí)900～950°C提高到1030～1050°C以上，以及由于真空加熱的表面凈化作用所造成的表面活化狀態(tài)，使?jié)B碳時(shí)間顯著縮短。b.滲碳表面質(zhì)量好，滲碳層均勻，沒有過渡滲碳的危險(xiǎn)等，無脫碳現(xiàn)象，工件變形小，節(jié)省能源。c.作業(yè)條件好，如排除了煙、熱對環(huán)境的污染等。第四十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日二、評定滲碳質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)：1、滲碳層的碳濃度：0.85－1.05％。碳濃度低，則耐磨性不夠，疲勞強(qiáng)度較低。碳濃度過高滲層變脆，出現(xiàn)網(wǎng)狀或塊狀碳化物，則很容易剝落影響使用壽命。滲碳層的濃度梯度也應(yīng)滿足一定要求，滲層的碳濃度梯度應(yīng)平衡下降。第四十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2）滲層深度：為了提高工件的疲勞強(qiáng)度，滲碳層的總濃度和工件斷面之間有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的比例關(guān)系：軸類齒輪薄片零件R－半徑(mm)；m－模數(shù)(mm)；t－厚度(mm)。一般情況，小截面工件滲層深度不大于工件截面的20％；大截面工件滲層深度不大于2~3mm。第四十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日四、滲碳后的熱處理工件滲碳后，表層高碳，心部低碳。為獲得理想的性能，需要進(jìn)行熱處理。第四十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日滲碳后熱處理的目的

a.提高工件表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性能；b.提高心部的強(qiáng)度和韌性；c.細(xì)化晶粒；d.消除網(wǎng)狀碳化物和減少殘留奧氏體；e.消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸。第四十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1、直接淬火滲碳后，預(yù)冷到一定溫度，立即進(jìn)行淬火冷卻，這種方法適合于氣體或液體滲碳，固體滲碳不適合。2、一次淬火法工件滲碳后隨爐冷卻到室溫，然后再重新加熱到淬火溫度，經(jīng)保溫后淬火。3、兩次淬火法將滲碳緩冷到室溫的工件進(jìn)行兩次加熱淬火。注意：淬火后需要進(jìn)行低溫回火。第四十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日1、直接淬火法本質(zhì)細(xì)晶粒鋼滲碳件，滲碳后晶粒不易長大，滲碳后可直接預(yù)冷淬火，＋180～200oC

低溫回火第四十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日優(yōu)點(diǎn)：減少加熱和冷卻的次數(shù)，使操作簡化、生產(chǎn)效率提高，還可減少淬火變形及表面氧化脫碳。缺點(diǎn)：滲碳溫度高，奧氏體晶粒粗大，淬火后A’較多，工件性能下降。只適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼或性能要求較低的零件。第四十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日工件滲碳后直接出爐，空冷至室溫，然后再重新加熱淬火。淬火溫度的選擇要兼顧表面和心部的要求。①心部要求較高強(qiáng)韌性的零件，加熱至心部Ac3稍上。心部:細(xì)小的低碳M；表面可消除網(wǎng)狀滲碳體；晶粒較粗大，殘余奧氏體較多，影響耐磨性。②對表面耐磨性要求較高的零件，加熱溫度應(yīng)選擇在Ac1稍上，表面層為M、未溶碳化物和少量殘余奧氏體心部低碳M和未溶鐵素體。2、一次淬火法第五十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3)、二次淬火將滲碳后的工件置于空氣中冷卻，然后再進(jìn)行兩次淬火和低溫回火。第一次淬火溫度：Ac3+30-50℃，目的：細(xì)化心部組織，使淬火后心部組織為細(xì)晶粒低碳馬氏體，消除滲層的網(wǎng)狀碳化物。第五十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日第二次淬火溫度：Ac1+30-50℃，目的：使表層得到細(xì)針狀馬氏體和呈小顆粒狀分布的二次滲碳體，減少滲層的殘留奧氏體數(shù)量。優(yōu)點(diǎn)：能獲得較好的表面和心部組織。缺點(diǎn)：工藝較復(fù)雜，工件易氧化、脫碳和變形。僅在當(dāng)直接淬火、一次淬火無法滿足要求時(shí)才使用。第五十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日五、滲碳后的組織與性能1、滲碳后緩冷到室溫下的組織表面過共析區(qū)：P＋Fe3CII；接近共析區(qū)：P；亞共析區(qū)（過渡區(qū)）：F＋P；心部：原始組織。共析區(qū)過共析區(qū)第五十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日滲碳后緩冷，滲層分三個(gè)區(qū)域：①過共析層：OA段珠光體＋網(wǎng)狀滲碳體②共析層：A段珠光體③過渡層：AC段珠光體＋鐵素體心部原始組織：大量鐵素體＋少量珠光體第五十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日滲碳層的組織過共析組織(P+Fe3CⅡ)共析組織(P)過渡區(qū)亞共析組織(P+F)原始亞共析組織(F+P)第五十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2、滲碳后淬火加低溫回火后的組織：表面：回火馬氏體+顆粒狀碳化物+殘余奧氏體；心部組織依據(jù)鋼種來確定。若為低碳鋼，淬透性差，為鐵素體+珠光體；若為低碳合金鋼，淬透性好，為馬氏體加少量鐵素體。亞共析區(qū)心部第五十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3、性能表面：具有較高的硬度、耐磨性以及疲勞強(qiáng)度；心部：具有良好的塑性與韌性。第五十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日滲碳件的組織對性能的影響（1）表層碳含量表面含碳量應(yīng)控制在0.9％左右。（2）、殘留奧氏體：與馬氏體相比，殘留奧氏體強(qiáng)度、硬度較低，塑性、韌性較高，組織中有一定數(shù)量的殘留奧氏體，能起到對外力緩沖和使應(yīng)力分布均勻的作用，增加了疲勞裂紋形成和擴(kuò)展的阻力，提高了鋼的斷裂韌性。不宜超過30％（3）滲層碳化物：可顯著提高工件的耐磨性和抗咬合性，但粗大塊狀或網(wǎng)狀碳化物的存在，會破壞基體組織的連續(xù)性而引起脆性，使工件表面產(chǎn)生剝落。第五十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日（4）心部硬度及組織：工件心部硬度取決于鋼的碳含量。合適的心部組織應(yīng)為低碳馬氏體、貝氏體或索氏體，不允許有大塊、大量的鐵素體存在。（5）滲碳層深度：滲碳層的深度愈深，可以承載接觸應(yīng)力愈大。在滿足工件使用要求的前提下，滲層越淺越經(jīng)濟(jì)。過多地增加層深，會使表面殘余壓應(yīng)力降低，工件韌性下降，疲勞強(qiáng)度降低。第五十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日一般滲碳件的工藝路線鍛造→正火→切削加工→滲碳→淬火+低溫回火→精加工第六十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日六、滲碳件的質(zhì)量檢查

1、滲碳層的深度的檢查（測定）常用隨爐滲碳試樣來判別。（1）斷口分析法：將滲碳試樣淬火后打斷觀察，滲層斷口呈白色瓷狀，未滲碳部位為灰色纖維狀，兩層交界處的含碳量約為0.4％。為了清楚地顯示滲碳層，可將試樣斷口磨平拋光，4％硝酸酒精溶液腐蝕，滲碳層呈黑色，中心部分呈灰色，直接用讀數(shù)放大鏡測出滲層深度。（2）金相分析法：退火態(tài)下測量。碳鋼件：從表面測到過渡區(qū)的1/2處。合金鋼：從表面到出現(xiàn)原始組織為止。第六十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日（3）硬度法：滲碳滲層深度為從表面向里到硬度HV550。2、硬度檢查：根據(jù)技術(shù)要求和工藝規(guī)定的部位檢查硬度。

一般要求檢查淬火及低溫回火后的表面硬度(大于58HRC)和心部硬度。

3、金相組織檢查滲碳件淬火及回火后的金相組織檢查，包括表層碳化物的數(shù)量，分布特征，馬氏體粗細(xì)，殘余奧氏體的含量，心部游離鐵素體的數(shù)量大小分布狀態(tài)。第六十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

圖5-21塊狀碳化物級別8級400×

滲C缺陷及控制1.表面粗大網(wǎng)狀、塊狀碳化物控制方法：降低滲碳劑濃度、數(shù)量，強(qiáng)滲期溫度調(diào)低。形成原因：碳勢太高，溫度太高，保溫時(shí)間太長。第六十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日返修方法：調(diào)整碳勢并補(bǔ)滲；脫C層≤0.02mm時(shí)，噴丸處理18CrMnTi滲碳表面脫碳2.表層貧碳或脫碳形成原因：擴(kuò)散期碳勢降低太多，爐子漏氣，緩冷或出爐時(shí)氧化脫碳第六十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日形成成因：滲C或淬火溫度過高，使A中的C及含C量過高。防止方法：降低碳勢，降低滲C溫度和淬火溫度，降低重淬溫度。返修方法：（1）深冷處理，使A′→M（2）高溫回火后重淬表面大量殘余奧氏體400×

3.表面大量殘余奧氏體第六十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日形成成因：爐溫不均勻，爐氣循環(huán)不好，碳黑沉積在工件表面,固體滲C時(shí)，滲劑不均勻4.滲C層深度不均勻形成原因：爐溫低，碳勢低，漏氣，裝爐量過大等防止辦法：檢查滲劑給入量，修復(fù)爐子不良狀況，清理沉積碳黑。返修方法：補(bǔ)滲5.滲層深度不夠第六十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日7.表面硬度低形成成因：表面碳濃度低，A′量多，或表面形成屈氏體組織返修方法：補(bǔ)滲、深冷、重淬。8.變形成因形成：擺放不當(dāng)，壓擠防止方法：合理吊裝工件，淬火壓床加壓淬火9.開裂――在緩冷過程中產(chǎn)生表面裂紋形成成因：滲C后空冷滲層組織轉(zhuǎn)變不均勻所致。如

20CrMnMo滲后空冷，表層先形成薄層屈氏體，下面為A，繼續(xù)冷卻時(shí)A→M，表面形成拉應(yīng)力所至。防止方法：先減慢冷速使?jié)B層共析轉(zhuǎn)變后再快冷。第六十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

用20鋼制造的20mm的小軸，經(jīng)930℃，5小時(shí)滲碳后，表面碳的質(zhì)量分?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：

20鋼AC3為855℃，Ar3為835℃；T12鋼Acm為820℃(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880℃后淬火，低溫回火。

(5)滲碳后緩冷到室溫，再加熱到780℃后淬火，低溫回火。第六十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.金屬的氮化定義：鋼鐵工件在一定溫度的含有活性氮的介質(zhì)中保溫一定時(shí)間，使其表面滲入氮原子的過程稱為滲氮或氮化。目的：提高工件的表面硬度、疲勞強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性及抗咬合性。第六十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日α相—氮溶于α-Fe中的固溶體（含氮鐵素體），體心立方結(jié)構(gòu)，N含量<0.11%。γ’相—以Fe4N為基的固溶體，面心立方結(jié)構(gòu)，N含量5.7-6.1%。ε相—以Fe3N為基的固溶體，密排六方結(jié)構(gòu)，N含量8.25-11%。γ相—存在于共析溫度(590°C)之上，含氮奧氏體，面心立方結(jié)構(gòu)。ξ相—以Fe2N為基的固溶體，正交結(jié)構(gòu)，N含量11-11.35%。極脆，容易脆裂和剝落，滲氮時(shí)應(yīng)避免此相出現(xiàn)。兩個(gè)共析反應(yīng)：590℃：γ→α＋γ’650℃：ε→γ＋γ’第七十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日鋼的滲氮過程鋼鐵的滲氮過程和其它化學(xué)熱處理過程一樣，由分解、吸收、擴(kuò)散三個(gè)基本過程組成。滲劑的分解：指滲劑中分解出含有活性氮原子的物質(zhì)。使用最多的滲氮介質(zhì)是氨氣。2NH3→3H2+2[N]第七十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日活性氮原子遇到鐵原子時(shí)發(fā)生如下反應(yīng)：Fe+[N]→Fe(N)4Fe+[N]→Fe4N3Fe+[N]→Fe3N2Fe+[N]→Fe2N活性氮原子被鋼的表面吸收形成固溶體和氮化物，隨著氮化時(shí)間的增長，氮原子逐漸往里擴(kuò)散，形成一定深度的氮化層。第七十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日由Fe-N相圖可知，在低于共析溫度590oC以下進(jìn)行氮化時(shí)，首先在表面形成α-相，當(dāng)α-相氮濃度達(dá)到飽和時(shí)，形出γ′相，當(dāng)γ′相的氮濃度達(dá)到飽和時(shí)，又形成ε相。1、由鐵-氮狀態(tài)圖可見，在低于590℃氮化，滲氮層組織由表及里為：平衡條件下：ε→ε+γ′→γ′→γ′+ɑ→ɑ相實(shí)際上：ε→γ′→ɑ相

氮化層的組織第七十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日第七十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日●這是由于冷卻不夠緩慢，γ′相不易從ε相中析出；同樣，γ′相也不易從ɑ相中析出，兩相區(qū)ε+γ′、γ′+ɑ不會出現(xiàn)，所以，金相觀察只有ε→γ′→ɑ相組織?！裢恚诖笥?00℃滲氮后，滲氮層組織由表及里為：實(shí)際上：ε→γ′→ɑ相第七十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日38CrMoAl氣體滲氮層組織(化染)650黃色區(qū):ε(Fe2-3N)+γ’(Fe4N);紅色區(qū):γ’(Fe4N);藍(lán)綠色區(qū):含氮索氏體+脈狀氮化物;

綠黃色區(qū):索氏體基體。第七十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3、鋼中碳及合金元素對氮化組織的影響（1）碳的影響①減少氮的擴(kuò)散速度，減少氮化層的深度；②N能溶入滲碳體，形成含氮滲碳體Fe3(C,N);③C能溶入ε相，成為Fe2-3(C,N),而不溶入γ′相中。鋼中的含碳量（％）0.060.431.18氮擴(kuò)散系數(shù)（m2/s)5×10－91.25×10－90.514×10－9第七十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3、鋼中碳及合金元素對氮化組織的影響（2）合金元素的影響含有氮化物形成元素Cr、Mo、Al等時(shí)，當(dāng)表面氮濃度達(dá)到α-相飽和極限濃度后，按照和N親和力的大小，先形成AlN，然后形成MoN，再形成CrN，當(dāng)表面層合金元素都形成氮化物后，才會形成γ′和ε相。第七十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

選擇氮化的鋼材，一般應(yīng)含有Cr、Mo、Al、V、Ti等氮化物形成元素的鋼。常用的氮化鋼有：

40Cr、35CrMo、38CrMoAl等。三、氮化工藝

1、氮化前的預(yù)處理①保證心部有足夠的強(qiáng)度支撐較脆的氮化層；②消除加工應(yīng)力，減小變形；③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。第七十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2、非氮化層的保護(hù)①鍍錫熔點(diǎn)232oC，錫熔化后吸附在工件表面，阻礙氮原子滲入，鍍錫層厚：0.004～0.008mm②涂料水玻璃＋石墨粉，涂后烘干，涂2～3次。3、氮化工藝參數(shù)①氮化溫度500～530oC②氮化時(shí)間氮化速度為0.005～0.02mm/h,氮化層深度為0.4～0.7mm，需要幾十個(gè)小時(shí)。第八十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日滲氮件的性能⑴氮化件表面硬度高（HV1000-1200），耐磨性高（表面形成了一層極硬的合金氮化物）。此性能可維持到相當(dāng)高的溫度（600-650°C）。⑵疲勞強(qiáng)度高（氮化后表層體積增大，產(chǎn)生壓應(yīng)力）。(3)耐腐蝕性好（表層形成的氮化層由致密的、抗腐蝕的氮化物ε和γ’組成，其化學(xué)穩(wěn)定性高）。(4)工件變形?。ǖ瘻囟鹊停蟛恍柽M(jìn)行熱處理）。第八十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日滲氮工藝方法

根據(jù)滲氮目的不同，滲氮工藝方法分成兩大類：一類是以提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度等為主要目的而進(jìn)行的滲氮，稱為強(qiáng)化滲氮；另一類是以提高工件表面抗腐蝕性能為目的的滲氮，稱為抗腐蝕滲氮，也稱防腐滲氮。

第八十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日①一段滲氮（等溫氮化）在同一溫度下長時(shí)間保溫的滲氮工藝.第八十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日在20h內(nèi)采用較低的氨分解率，使工件表面迅速吸收大量氮原子，形成彌散分布氮化物，提高工件表面硬度；在中間階段，氨分解率提高到30-40%，使表層氮原子向內(nèi)擴(kuò)散，增加滲層深度；保溫結(jié)束前2-4h，氨分解率高于80%以上，進(jìn)行退氮處理，減薄或清除脆性白亮層。第八十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日②二段氮化法

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，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。第八十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日③三段氮化法

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氯化的更高一些，一般為560~580℃，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)氯化，使表層氮濃度達(dá)到最佳濃度，而不致使表面硬度過低。第八十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日工藝路線：鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→去應(yīng)力→粗磨→氮化→精磨或研磨第八十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日五、氮化層質(zhì)量的檢查

1、氮化層的深度（1）斷口法出爐后在凹槽處敲斷，用25倍帶刻度的放大鏡測量，氮化層組織較細(xì)呈瓷狀，中心組織較粗，很易區(qū)分。（2）金相法將氮化試棒制成金相試樣，腐蝕后在顯微鏡下測量。第八十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2、氮化層硬度氮化層很薄，一般用載荷較小的維氏硬度，10kg負(fù)載。3、氮化層的脆性一般用維氏硬度壓痕形狀來評定；1、2級為合格，3、4級為不合格第八十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日4、碳氮共滲在鋼的表面同時(shí)滲入碳和氮的化學(xué)熱處理工藝稱為碳氮共滲。氰化：碳氮共滲可以在氣體介質(zhì)中進(jìn)行，也可在液體介質(zhì)中進(jìn)行．因?yàn)橐后w介質(zhì)的主要成分是氰鹽，故液體碳氮共滲又稱為氰化。目的：對低碳結(jié)構(gòu)鋼、中碳結(jié)構(gòu)鋼以及不銹鋼等，為了提高其表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，進(jìn)行820—850℃碳氮共滲。中碳調(diào)質(zhì)鋼在570—600℃溫度進(jìn)行碳滲共滲，可提高其耐磨性及疲勞強(qiáng)度，高速鋼在550—560℃碳氮共滲的目的是進(jìn)一步提高其表面硬度、耐磨性及熱穩(wěn)定性．

第九十頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日一、碳和氮同時(shí)在鋼中擴(kuò)散的特點(diǎn)1．共滲溫度不同，共滲層中碳氮含量不同。氮含量隨著共滲溫度的提高而降低，而碳含量則起先增加，至一定溫度后反而降低。滲劑增碳能力不同，達(dá)到最大碳含量的溫度也不同。2．碳、氮共滲時(shí)碳氮元素相互對鋼中溶解度及擴(kuò)散深度有影響。由于N使g相區(qū)擴(kuò)大，且Ac3點(diǎn)下降，因而能使鋼在更低的溫度增碳。氮滲入濃度過高，在表面形成碳氮化合物相，因而氮又障礙著碳的擴(kuò)散。碳降低氮在、相中的擴(kuò)散系數(shù)，所以碳減緩氮的擴(kuò)散。

第九十一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3．碳氮共滲過程中碳對氮的吸附有影響碳氮共滲過程可分成兩個(gè)階段：第一階段共滲時(shí)間較短(1—3小時(shí))，碳和氮在鋼中的滲入情況相同；若延長共滲時(shí)間，出現(xiàn)第二階段，此時(shí)碳繼續(xù)滲入而氮不僅不從介質(zhì)中吸收，反而使?jié)B層表面部分氮原子進(jìn)入到氣體介質(zhì)中去第九十二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日二：中溫氣體碳氮共滲1．中溫氣體碳氮共滲的優(yōu)點(diǎn)與氣體滲碳相比有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)可以在較低溫度下及在同樣時(shí)間內(nèi)獲得同樣滲層深度，或在處理溫度相同悄況下，共滲速度較快。(2)碳氮共滲在工件表面、爐壁和發(fā)熱體上不析出碳黑；(3)處理后零件的耐磨性比滲碳的高；(4)工件扭曲變形小。第九十三頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2．共滲介質(zhì)目前常用的有兩大類：

(1）含2～10％氨氣的滲碳?xì)怏w(其余)(體積％)；2)含碳氮的有機(jī)液體。第九十四頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3．共滲溫度及時(shí)間820—880℃4．碳氮共滲后的熱處理碳氮共碳氮共滲比滲碳溫度低，一般共滲后都采用直接淬火．因?yàn)榈臐B入，使過冷奧氏體穩(wěn)定性提高，故可采用冷卻能力較弱的淬火介質(zhì)，但應(yīng)考慮心部材料的淬透性。碳氮共滲后采用低溫回火．

第九十五頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日5．碳氮共滲層的組織與性能碳氮共滲層的組織取決于共滲層中碳、氮濃度，鋼種及共滲溫度。表面為馬氏體基底上彌散分布的碳氮化合物，向里為馬氏體加殘余奧氏體，殘余奧氏體量較多，馬氏體為高碳馬氏體；再往里殘續(xù)奧氏體量減少，馬氏體也逐漸由高碳馬氏體過渡到低碳馬氏體。

第九十六頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

碳氮共滲的特點(diǎn)1.兼有滲碳層和氮化層的優(yōu)點(diǎn)和滲碳相比：比滲碳處理具有更高的耐磨性、抗腐蝕性和抗疲勞強(qiáng)度。和氮化相比：共滲層的深度要比氮化層深，表面脆性小，抗壓強(qiáng)度較好。第九十七頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日2、奧氏體相變溫度降低碳、氮都是擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，碳、氮的滲入都能降低鋼A1點(diǎn)和A3點(diǎn)，故共滲溫度要比單獨(dú)滲碳時(shí)低，使奧氏體晶粒不明顯長大，保證了零件的心部強(qiáng)度，減少了零件的淬火變形。第九十八頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日3.奧氏體的穩(wěn)定性提高，C曲線右移。氮的滲入使?jié)B層的淬透性提高。4.碳氮共滲的速度顯著大于單獨(dú)滲碳或氮化的速度，因而可縮短生產(chǎn)周期。第九十九頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日三、氮碳共滲(軟氮化)

氮碳共滲是指使工件表面同時(shí)滲入氮、碳原子，并以滲氮為主的表面化學(xué)熱處理工藝，亦稱軟氮化。第一百頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

氮碳共滲層組織氮碳共滲處理后的組織與滲氮層組織大致相同。由表及里為：由Fe2～3(C，N)為主、含有Fe4N的化合物層，由γ’相組成的擴(kuò)散層和以含氮鐵素體α(N)為主的過渡層。第一百零一頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

氮碳共滲的工藝參數(shù)

連續(xù)式作業(yè)爐一般采用吸熱式氣氛和氨氣的混合氣體積比1：1為最佳。在周期式作業(yè)爐中所采用的介質(zhì)種類較多．我國常用的有尿素、甲酰胺、三乙醇胺，以及醇類加氨氣等第一百零二頁，共一百一十三頁，2022年，8月28日

分解反應(yīng)尿素：（氮勢大于碳勢，適合軟氮化）(NH2)2CO→2[N]+CO+2H22CO→CO2+[C]甲酰胺：（氮勢大于碳勢，適合軟氮化4HCONH2→2CO+4H2+2H2O+4[N]+2[C]三乙醇胺：（碳勢大于氮勢，不