熱處理第9章 鋼的化學熱處理-48

1表面熱處理化學熱處理(改變表面化學成分)表面淬火(不改變表面化學成分)2第9章鋼的化學熱處理

3第9章鋼的化學熱處理9.1化學熱處理的基本原理9.2化學熱處理工藝4將工件放在特殊介質中，用加熱擴散的方法使介質中一種或幾種元素滲入基體金屬一定深度的表層，改變其化學成分和組織并獲得與心部不同性能的熱處理工藝。第九章鋼的化學熱處理

上一頁下一頁9.1化學熱處理的基本原理5

1.滲層形成條件

返回上一頁下一頁回主頁滲劑元素與基體金屬必須能形成固溶體或金屬間化合物。滲劑元素能在界面被吸附。保持一定的溫度，即保證一定的滲鍍速度。生成活性原子的化學反應必須滿足熱力學條件。6返回上一頁下一頁回主頁2.滲層形成的基本過程分解－加熱時滲劑分解，釋放出欲滲入元素的活性原子。吸收－分解出來的活性原子被金屬表面吸收并溶解成為固溶體，超過溶解度時形成金屬間化合物。擴散－溶入元素的活性原子在濃度梯度的作用下由表及里擴散，形成一定厚度的擴散層。7圖9.1滲層形成的示意圖上一頁下一頁83.化學熱處理速度的影響因素

（1）受化學反應速度控制的階段反應物濃度：增加滲劑中反應物的含量，可以加快它們的分解速度，使活性原子濃度增大，從而加速滲入的過程。溫度：溫度升高，滲劑分解速度加快，活性原子濃度增加，使?jié)B入速度升高?；钚詣河址Q催化劑。如氮化時氨在無催化劑時的分解活化能為90千卡/克分子，而在有Fe、W、Ni催化劑參加時，其活化能降為40千卡/克分子，從而大大加速了滲劑的分解速度。9除化學熱處理初始階段的短暫時間外，大部分滲入過程都是受擴散控制的，其含義包括由滲劑活性原子向滲層內的擴散和基體金屬原子通過滲層向外的擴散。（2）受擴散速度控制的階段

9.2化學熱處理工藝9.2.1鋼的滲碳上一頁下一頁工藝－滲碳是將低碳鋼零件在滲碳介質中加熱到900～950℃，使碳原子滲入其表面層，獲得高碳滲層，再進行淬火并低溫回火。10圖9.2滲碳層沿齒廓分布的滲碳齒輪上一頁下一頁11滲碳鋼種—

20、l5Mn、20Cr、27SiMn、20CrMoTi等。特點－滲碳可使同一材料制作的機器零件兼有高碳鋼和低碳鋼的性能。性能－心部仍保持低碳、具有良好的塑性和韌性，表面獲得很高的硬度、耐磨性以及高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度。應用－既能承受磨損和較高的表面接觸應力，同時又能承受彎曲應力及沖擊負荷作用的齒輪、凸輪、活塞、軸類等許多重要的機器零件。上一頁下一頁一、滲碳方法把工件埋入固體滲碳劑中，裝箱密封，加熱到滲碳溫度保溫，達到工件表面增碳目的的工藝過程。12圖9.3固體滲碳裝箱示意圖1.固體滲碳法上一頁下一頁13固體滲碳劑－由一定顆粒度的木炭、催滲劑(即活化劑2％～5％BaCO3或Na2CO3)混合組成。木炭提供活性碳原子，碳酸鹽起催化作用：C+O2→CO2BaCO3→BaO+CO2CO2+C→2CO2CO→CO2+[C]優(yōu)點－固體滲碳不需專門設備、工藝簡單，適宜單件或小批量生產(chǎn)。缺點－固體滲碳加熱保溫時間長達十幾個小時，生產(chǎn)率低，勞動條件差，滲碳后不易直接淬火，滲碳層深度及質量不易控制。上一頁下一頁2.氣體滲碳法將零件放入密封的高溫爐罐中，向爐內滴入易分解的有機液體(如煤油、苯、甲醇等)，或直接通入滲碳氣體(如煤氣、石油液化氣等)。使其熱裂分解為活性碳原子并滲入零件表面的工藝方法。

圖9.4氣體滲碳裝置示意圖14上一頁下一頁15

爐內化學反應:2CO→CO2+[C]CO2+H2→H2O+[C]CnH2n→nH2+n[C]圖9.5氣體滲碳工藝

一般淺層滲碳約2～3h；常規(guī)滲碳5～8h；深層滲碳16～30h。16優(yōu)點－生產(chǎn)效率高，滲層質量好，勞動強度低，便于直接淬火。缺點－滲劑直接滴入爐內進行滲碳時，由于熱裂分解出的活性碳原子過多，不能全部為零件表面吸收而以碳黑、焦油等形式沉積于零件表面，阻礙滲碳過程，而且滲碳氣氛的碳勢也不易于控制。碳勢－在給定溫度下，鋼件表面碳含量（奧氏體狀態(tài)）與爐中氣氛達到動平衡時的含碳量。碳勢高低反映爐氣滲碳能力的強弱。

上一頁下一頁17

3.滴注式可控氣氛滲碳

向高溫爐中同時滴入兩種有機液體，一種液體為甲醇，產(chǎn)生的碳勢較低，作為稀釋氣體；另一種液體如醋酸乙酯或丙酮產(chǎn)生的氣體碳勢較高，作為富化氣。通過改變兩種液體的滴入比例，利用露點儀或紅外分析儀控制碳勢，使零件表面的含碳量控制在要求的范圍內。

露點儀：控制H2O，因爐內氣氛的露點與其含水量有對應關系；含水量越高，露點就越高。紅外分析儀：控制CO2。上一頁下一頁4.滲碳層的成分和厚度18滲碳鋼的成分－含碳量為0.1％～0.25％；添加合金元素Cr、Mn、Ni、Si、Mo、W、B等以保證淬透性，加入少量的Ti、V、Nb等以防止?jié)B碳時的晶粒粗大。滲碳層成分－其表面含碳量可達到過共析鋼的成分，由表及里碳濃度逐漸降低，直至鋼的原始含碳量。滲碳后緩冷組織－

表層(過共析層)：P＋Fe3C(網(wǎng)狀)中間(過渡區(qū))：共析層→亞共析層P→P+F心部原始組織：F＋P

上一頁下一頁19圖9.6低碳鋼滲碳緩冷后的組織(a)上一頁下一頁20圖9.6低碳鋼滲碳緩冷后的組織上一頁下一頁21滲碳層的厚度－一般規(guī)定，從表面到過渡層一半處的厚度。隨滲碳時間增加(2～30h)，厚度可達0.5～2mm。零件滲碳后，以表面含碳量為0.8～1.10％為最好；低于0.8％時，零件的耐磨性和強度不足；高于1.10％時，滲層淬火后表面碳化物及殘余奧氏體量增加而損害鋼的性能。上一頁下一頁淬火預冷一次淬火預冷直接淬火預冷二次淬火+低溫回火(150~190℃)5.滲碳后的熱處理

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(1).預冷直接淬火+低溫回火(鋼心部冷至Ac3~Ar3，表層略低于Accm

)淬火前：表層組織：Fe3C+A心部組織：A淬火后：表層組織：Fe3C+M+Ar心部組織：M（低碳）23低溫回火后表層組織－Fe3C+M回火+Ar(少量)→高硬度和高耐磨性

心部組織－M回火→較高的強韌性圖9.820CrMnTi鋼滲碳淬火的金相組織920℃x3.5h200x預冷直接淬火法：適用于本質細晶粒鋼或性能要求較低的零件。

(2).預冷一次淬火+低溫回火24要求心部有較高強韌性的零件，淬火溫度應選擇

對心部高于Ac3，對表層略高于Accm。淬火前：

表層組織：A心部組織：A淬火后：

表層組織：M（高碳）＋Ar心部組織：M（低碳）上一頁下一頁空冷25低溫回火后表層組織－M回火+Ar(少量)心部組織－M回火要求表層有較高耐磨性的工件，淬火溫度應選在Ac1~Ac3(Ac1~Accm)之間。淬火前：

表層組織：A+Fe3C心部組織：A+F淬火后：

表層組織：M(高碳)+Fe3C(顆粒狀)＋Ar心部組織：M(低碳)+F

低溫回火后

表層組織：M回火＋Fe3C(顆粒狀)＋Ar(少量)心部組織：M回火＋F上一頁下一頁9.2.2鋼的氮化26定義：在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學熱處理工藝。目的：提高工件的表面硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強度。返回上一頁下一頁回主頁27滲氮原理：NH3550℃分解活性[N]表面形成固溶體或氮化物達到一定滲層厚度(0.40~0.60mm)40~70h返回上一頁下一頁回主頁一、氣體氮化281.抗磨氮化－以提高工件表面硬度、耐磨性和疲勞

強度為主

典型鋼種：38CrMoAlA、35CrMo、18CrNiW等

專用滲氮鋼：wC=0.15%～0.45%的合金結構鋼圖9.938CrMoAl鋼氮化工藝曲線

氮化工藝：29氮化鋼在共析溫度氮化時，當表面上的氮濃度達到α-Fe的飽和極限，將形成AlN、MoN、CrN等氮化物，當表面層的合金元素都形成了氮化物后，繼續(xù)滲氮便會使α體心立方晶格轉變成六方晶格的γ'或ε相。表層組織:合金氮化物+ε+(ε＋γ?)+γ?+(α+γ?)心部組織：回火索氏體(氮化前進行調質處理)

氮化層的組織特征圖9.10Fe-N相圖30圖9.11

38CrMoAl鋼氮化層的顯微組織

上一頁下一頁31抗磨氮化應用

耐磨性和精度要求較高的零件，或要求抗熱、抗蝕的耐磨件。如發(fā)動機汽缸、精密機床絲杠、鏜床主軸等。2.抗蝕氮化－以提高抗蝕性能為主

通常在600～700℃于純氨中進行2～6小時滲氮，形成厚0.015～0.060mm、致密而穩(wěn)定的ε相氮化層。對各種鋼均可獲得良好效果?？商娲冩嚒㈠冧\、法蘭等。上一頁下一頁32（1）滲層具有很高的硬度、熱硬性和耐磨性。二、滲氮特點（2）滲氮溫度低，工件變形小，精度高，氮化后可直接使用。（3）工件耐蝕性高。（5）滲層脆而薄0.3～0.5mm，不宜承受集中的重載荷。（4）工件的疲勞強度高。（6）氮化工藝復雜，周期長，成本高。上一頁下一頁339.2.2.2離子氮化34

將被處理的工件放在真空室內，然后充以稀薄的含氮氣體（如氨）。接通高壓直流電，使爐內氣體放電，放電過程中氮和氫離子在高壓電場的作用下，沖向工件表面，把工件加熱到所需溫度，同時氮離子或氮原子被工件表面吸附，并迅速向內擴散，形成氮化層。

離子氮化（與氣體氮化相比）特點：氮化速度快、時間短。由于離子沖擊的結果，在工件表面層0.05mm內產(chǎn)生密度極高的位錯及點缺陷，使擴散加速，因而能縮短到氣體氮化時間的2／3～1／3。35加熱只在表面層，工件變形極?。换衔飳颖?，一般不超過25μm；離子轟擊作用可以去除工件表面的氧化膜和鈍化膜，使易氧化或鈍化的金屬（如不銹鋼等）能進行有效滲氮。易于實現(xiàn)工藝過程的計算機控制。適于所有鋼種的氮化?？晒?jié)約電能和氨氣的消耗，電能消耗為氣體氮化的1／2～1／5，氨氣消耗為氣體氮化的1／5～1／20。勞動條件有所改善，不產(chǎn)生污染。36

(1)ε+擴散層，ε相耐磨和耐蝕性好，但脆性較大，主要用于耐磨耐蝕工件。(2)ε+γ’+擴散層；(3)γ’+擴散層,γ’相韌性較好，強度較高,主要用于承受較大動力載荷又要求耐磨的工作條件。

(4)只有擴散層，純擴散層主要用于不能增加脆性的模具鋼、耐磨合金等工件，用于不銹鋼可使其耐蝕性降低的程度最小。易于調整工藝參數(shù)，獲得不同滲層組織。37離子氮化缺點

設備復雜且投資大，準確測定零件溫度困難，對于大型爐、各類零件混合裝爐時難以保證各處工件溫度一致。9.2.3碳氮共滲

氣體碳氮共滲