第11章钢的化学热处理

1、 第十一章第十一章 钢的化学热处理钢的化学热处理 表面淬火缺陷：成分所限；形状所限。表面淬火缺陷：成分所限；形状所限。 改变成分与组织结构的改变成分与组织结构的化学热处理化学热处理 （1 1）化学热处理定义：工件置于一定活性介质）化学热处理定义：工件置于一定活性介质 中，使非金属或金属元素扩散到工件表层中，中，使非金属或金属元素扩散到工件表层中， 以改变表面的化学成分和性能的工艺。以改变表面的化学成分和性能的工艺。 （2 2）化学热处理的作用：）化学热处理的作用： 强化表面，提高硬度与耐磨性，抗疲劳性强化表面，提高硬度与耐磨性，抗疲劳性 等；等； 保护表面，改善物化性能，抗腐蚀、耐高保护表面，

2、改善物化性能，抗腐蚀、耐高 温等。温等。 （3 3）优点：）优点： 可在较大浓度范围有效改变表层化学成分、可在较大浓度范围有效改变表层化学成分、 组织与性能；组织与性能； 不受形态限制，渗层较均匀；不受形态限制，渗层较均匀； 仿形渗层仿形渗层渗层的轮廓与工件形状相似渗层的轮廓与工件形状相似 表面层性能提高幅度更大，且往往可同时表面层性能提高幅度更大，且往往可同时 提高机械、物化性能；提高机械、物化性能； 成分相变成分相变 表面过热现象可在随后热处理中消除。表面过热现象可在随后热处理中消除。 缺点：周期长缺点：周期长 （4 4）常用化学热处理：）常用化学热处理： 名称渗入元素作用 渗碳C表面硬度

3、、耐磨性、疲劳强度 渗氮N表面硬度、耐磨性、疲劳强度、 耐腐蚀性 碳氮共渗C、N表面硬度、耐磨性、疲劳强度 渗硫S减磨，提高抗咬合作用 硫氮共渗S、N硬度、耐磨性、减磨 渗硼B表面硬度 渗铝Al抗氧化性及硫化介质中耐蚀性 1.化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程 化学热处理由化学介质化学热处理由化学介质分解分解产生的产生的活性原子活性原子， 被工件表面被工件表面吸收吸收，并向内部，并向内部扩散扩散三个基本过程三个基本过程 组成。组成。 分解：渗剂在一定温度下经化学反应而形分解：渗剂在一定温度下经化学反应而形 成成活性原子活性原子过程。过程。 渗碳：渗碳：2COCO2+C; CH42H2+C

4、 CO+H2H2O+C 渗氮：渗氮：2NH33H2+2N C,N活性原子活性原子 a. 化学介质的分解 化学热处理分类及基本过程 活性原子：指那些在一定的化学反应中产生的活性原子：指那些在一定的化学反应中产生的 渗入元素，它以原子状态存在，性质活泼，渗入元素，它以原子状态存在，性质活泼， 能为工件表面吸收。能为工件表面吸收。 N+NNN+NN2 2 分子态，非活性分子态，非活性 C+CG(C+CG(石墨石墨) ) 化学反应除分解外还有化学反应除分解外还有 置换置换 SiClSiCl4 4+2Fe2FeCl+2Fe2FeCl2 2+Si+Si 还原还原 B B2 2O O3 3+6Na3Na+6

5、Na3Na2 2O+2BO+2B 歧化歧化 3TiCl3TiCl2 22TiCl2TiCl3 3+Ti+Ti / 0 x x eII / 0 x x eII 吸收：活性原子可溶入基体金属中或者与基体吸收：活性原子可溶入基体金属中或者与基体 金属形成化合物。金属形成化合物。 例如渗碳时：例如渗碳时： 被表面吸附的活性碳原子固溶到奥氏体中被表面吸附的活性碳原子固溶到奥氏体中 Fe+C吸附 吸附FeC固溶固溶 (间隙固溶体） 间隙固溶体） 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 另钢件的粉末渗硼时，先形成化合物另钢件的粉末渗硼时，先形成化合物

6、 300C FeB，700C Fe2B， 900C含含B的固溶体的固溶体 b. 活性原子被工件表面吸收过程 扩散：钢件表面被吸收的活性原子向钢件深扩散：钢件表面被吸收的活性原子向钢件深 处迁移，并形成一定厚度的渗层。处迁移，并形成一定厚度的渗层。 原因：表层与心部的浓度差原因：表层与心部的浓度差 渗入元素的原子沿浓度梯度下降的方向迁移渗入元素的原子沿浓度梯度下降的方向迁移 扩散层的特点：渗入元素在表面层的浓度最高，扩散层的特点：渗入元素在表面层的浓度最高， 离开表层越远，浓度越低。离开表层越远，浓度越低。 c. 渗入元素的扩散过程 2. 化学热处理分类化学热处理分类 表面渗碳 高碳钢高碳钢 淬

7、火淬火+ +低温回火低温回火 硬度、强度硬度、强度 冲击韧性冲击韧性 低碳钢低碳钢 淬火淬火+ +低温回火低温回火 塑性、韧性塑性、韧性 硬度、耐磨性硬度、耐磨性 渗碳钢渗碳钢 表层碳含量表层碳含量 心部碳含量心部碳含量 一般选用碳含量为一般选用碳含量为0.10.3%的的 低碳钢和低碳合金钢低碳钢和低碳合金钢 定义定义：钢的渗碳就是将钢件在渗碳介质中加热：钢的渗碳就是将钢件在渗碳介质中加热 和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含 碳量和一定碳浓度梯度的工艺。碳量和一定碳浓度梯度的工艺。 目的目的：提高零件表面硬度、耐磨性和疲劳强度。：提高零件表面硬

8、度、耐磨性和疲劳强度。 根据介质不同，分为根据介质不同，分为气体渗碳、固体渗碳和气体渗碳、固体渗碳和 液体渗碳液体渗碳三种。应用最多的是气体渗碳。三种。应用最多的是气体渗碳。 表面渗碳 气体渗碳装置示意图气体渗碳装置示意图 a. 气体渗碳 工件在气体介质中进行渗碳的方法。 u 渗碳介质：渗碳介质： 液体介质：碳氢化合物液体介质：碳氢化合物 煤油、甲醇、乙醇、丙酮、苯、甲苯等。煤油、甲醇、乙醇、丙酮、苯、甲苯等。 气体介质：混合气体气体介质：混合气体 天然气、甲烷、液化石油气、丙烷、丁烷天然气、甲烷、液化石油气、丙烷、丁烷 渗碳能力很强，须与渗碳能力弱的气渗碳能力很强，须与渗碳能力弱的气 体配合

9、使用体配合使用 滴注式可控气氛渗碳滴注式可控气氛渗碳 可控气氛渗碳是通过可控气氛渗碳是通过控制渗碳气体的成分控制渗碳气体的成分 来控制钢件渗碳层的碳浓度。来控制钢件渗碳层的碳浓度。 碳势：碳势：是指纯铁在一定温度下于加热炉气中是指纯铁在一定温度下于加热炉气中 加热时达到既不增碳也不脱碳，并与炉气保加热时达到既不增碳也不脱碳，并与炉气保 持平衡时表面的碳含量，它表示炉气对纯铁持平衡时表面的碳含量，它表示炉气对纯铁 饱和碳的能力。饱和碳的能力。 滴注式可控气氛渗碳的主要特点是把两种滴注式可控气氛渗碳的主要特点是把两种 有机液体直接滴入渗碳炉内进行分解，使其有机液体直接滴入渗碳炉内进行分解，使其 中

10、中一种滴液形成稀释气一种滴液形成稀释气，另一种滴液形成渗另一种滴液形成渗 碳气碳气。 碳势的意义碳势的意义 “碳势碳势”定量地表示渗碳气氛的活性，定量地表示渗碳气氛的活性， 即炉气渗碳能力强弱：即炉气渗碳能力强弱： 炉气氛碳势高，渗碳能力强。炉气氛碳势高，渗碳能力强。 用化学反应平衡时钢件表面的含碳量表示，用化学反应平衡时钢件表面的含碳量表示， 但衡量的是气氛的碳势，可用来考察该气氛但衡量的是气氛的碳势，可用来考察该气氛 下钢的渗碳与脱碳行为：下钢的渗碳与脱碳行为： 碳势为碳势为1 1的气氛，可使碳含量的气氛，可使碳含量1%1%1%的钢脱碳；的钢脱碳； 吸热式渗碳气氛渗碳吸热式渗碳气氛渗碳 是

11、将可燃性原料气如丙烷、丁烷、天然气是将可燃性原料气如丙烷、丁烷、天然气 等碳氢化合物与较少的空气混合后，通入装等碳氢化合物与较少的空气混合后，通入装 有触媒剂的炉膛中，在触媒剂的作用下，并有触媒剂的炉膛中，在触媒剂的作用下，并 借助外加热，使混合气在借助外加热，使混合气在95010509501050C的条件的条件 下进行反应，用这种方法制备的气氛称为吸下进行反应，用这种方法制备的气氛称为吸 热式气氛。热式气氛。 多用于连续式炉气体渗碳多用于连续式炉气体渗碳 将工件埋在固体渗碳剂中密封起来，加热到将工件埋在固体渗碳剂中密封起来，加热到 900930C，保温后出炉。，保温后出炉。 固体渗碳由两类物

12、质组成：固体渗碳由两类物质组成： 渗碳物质（渗碳物质（85859090）：木炭、焦炭、骨炭等。）：木炭、焦炭、骨炭等。 催化剂（催化剂（10101515）：碳酸钠、碳酸钡等。）：碳酸钠、碳酸钡等。 b. 固体渗碳 木炭与渗碳箱内的氧气发生反应：木炭与渗碳箱内的氧气发生反应： C+OC+O2 2COCO2 2, CO, CO2 2+C2CO+C2CO 2COCO 2COCO2 2+C+C 催化剂的反应为：催化剂的反应为： BaCOBaCO3 3BaO+COBaO+CO2 2, CO, CO2 2+C2CO+C2CO Na Na2 2COCO3 3NaNa2 2O+COO+CO2 2, CO, C

13、O2 2+C2CO+C2CO 固体渗碳优点：固体渗碳优点： 设备简单，方便易行，中小型工厂；设备简单，方便易行，中小型工厂； 缺点：周期长，生产效率低，劳动条件差，缺点：周期长，生产效率低，劳动条件差， 质量不易保证。质量不易保证。 在能析出活性碳原子的盐浴中进行的。在能析出活性碳原子的盐浴中进行的。 优点：加热速度快，加热均匀，渗碳效率高，优点：加热速度快，加热均匀，渗碳效率高， 渗碳层均匀，便于直接淬火。渗碳层均匀，便于直接淬火。 缺点：成本高，渗层盐浴大多有毒，不宜于缺点：成本高，渗层盐浴大多有毒，不宜于 大件和大批量生产。大件和大批量生产。 渗碳盐浴一般由三类物质组成：渗碳盐浴一般由三

14、类物质组成： 加热介质：通常用加热介质：通常用NaClNaCl和和BaClBaCl2 2的混和盐。的混和盐。 BaClBaCl2 2还同时具有催化剂的作用。还同时具有催化剂的作用。 催化剂（催化剂（5 53030）：常用碳酸盐）：常用碳酸盐 （NaNa2 2CO3CO3或或BaCOBaCO3 3）。）。 c. 液体渗碳 渗碳介质（渗碳介质（10101515） 氰盐如氰化钠或氰化钾，剧毒，受限。氰盐如氰化钠或氰化钾，剧毒，受限。 现多采用石墨、木炭或黄血盐现多采用石墨、木炭或黄血盐 低碳钢或低碳合金钢低碳钢或低碳合金钢 预留加工余量；预留加工余量； 镀铜法；镀铜法； 涂防渗碳涂料如将耐火泥、石棉

15、粉、用水玻璃涂防渗碳涂料如将耐火泥、石棉粉、用水玻璃 调成膏状。调成膏状。 渗碳工艺过程 1. 渗碳前的热处理和准备 正火、调质处理正火、调质处理 2. 渗碳过程的工艺操作 强渗期强渗期 扩散期扩散期 降温期降温期 等温期等温期 排气期排气期 为使渗碳件具有表面高硬度，心部高韧性，为使渗碳件具有表面高硬度，心部高韧性， 渗碳后渗碳后必须进行适当的淬火、回火必须进行适当的淬火、回火。 渗碳后热处理的目的渗碳后热处理的目的 3. 渗碳后的热处理 获得高硬度获得高硬度(5863HRC)和高耐磨的表面层和高耐磨的表面层 消除网状渗碳体和调整残留奥氏体的数量和分布消除网状渗碳体和调整残留奥氏体的数量和分

16、布 细化晶粒，提高强度和韧性细化晶粒，提高强度和韧性 消除内应力，稳定尺寸。消除内应力，稳定尺寸。 1 1、直接淬火法、直接淬火法 渗碳后可直接渗碳后可直接 预冷淬火，预冷淬火， 180180200C200C 低温回火低温回火 渗碳后热处理工艺渗碳后热处理工艺 特特 点：点： 操作简单、成本低，生产率高，操作简单、成本低，生产率高， 但在高温下长期保温，奥氏体晶粒易长大，但在高温下长期保温，奥氏体晶粒易长大， 影响淬火后工件的性能，故只适用于渗碳件影响淬火后工件的性能，故只适用于渗碳件 的心部和表层都不过热的情况下；此外预冷的心部和表层都不过热的情况下；此外预冷 过程中，二次渗碳体沿奥氏体晶界

17、呈网状析过程中，二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析 出，对工件淬火后的性能不利。出，对工件淬火后的性能不利。 用途：大批量生产的汽车、拖拉机齿轮常用用途：大批量生产的汽车、拖拉机齿轮常用 此法。此法。 预冷的目的是为了减少淬火变形与开裂， 并使表层析出一些碳化物，降低残A，提高表 层硬度，预冷温度略高于Ar3,目的是为避免析 出铁素体。 2 2、一次淬火法（重新加热淬火法）、一次淬火法（重新加热淬火法） 工件经渗碳空冷工件经渗碳空冷(或坑冷）后，再重新加热至淬或坑冷）后，再重新加热至淬 火温度进行淬火，然后在火温度进行淬火，然后在180200回火。这回火。这 种方法在工件重新加热时奥氏体晶粒得到细

18、化，种方法在工件重新加热时奥氏体晶粒得到细化， 使钢的性能得到提高。使钢的性能得到提高。 用途用途 适用于比较重要的零件，如高速柴油机齿适用于比较重要的零件，如高速柴油机齿 轮等。轮等。 淬火加热温度的选择淬火加热温度的选择 心部要求较高强韧性的零件，加热至心部心部要求较高强韧性的零件，加热至心部Ac3稍稍 上。心部通过相变重结晶，细化了晶粒，淬火后得上。心部通过相变重结晶，细化了晶粒，淬火后得 到细小的低碳到细小的低碳M，具有较高的强韧性；表面可消除，具有较高的强韧性；表面可消除 网状渗碳体；但表面加热温度高，淬火后晶粒较粗网状渗碳体；但表面加热温度高，淬火后晶粒较粗 大，残余奥氏体较多，影

19、响耐磨性。大，残余奥氏体较多，影响耐磨性。 对表面耐磨性要求较高的零件，加热温度应选对表面耐磨性要求较高的零件，加热温度应选 择在择在Ac1稍上，淬火后表面层为稍上，淬火后表面层为M、未溶碳化物和、未溶碳化物和 少量残余奥氏体，有较高的硬度和耐磨性。而对心少量残余奥氏体，有较高的硬度和耐磨性。而对心 部组织来说，加热温度过低，淬火后低碳部组织来说，加热温度过低，淬火后低碳M和未溶和未溶 铁素体，强度受到一定的影响。铁素体，强度受到一定的影响。 一次淬火发可以提高心部或者改善表面的性能，一次淬火发可以提高心部或者改善表面的性能， 但却无法使两者同时得到提高。但却无法使两者同时得到提高。 3 3、

20、二次淬火法、二次淬火法 适用于对于表面和心部适用于对于表面和心部 性能都要求较高的零件性能都要求较高的零件 第一次淬火加热温度在第一次淬火加热温度在 A Ac3 c3稍上，强化心部 稍上，强化心部 第二次淬火在第二次淬火在A Ac1 c1稍上， 稍上， 保证表面硬度保证表面硬度 第一次淬火是为了细化心部组织和消除 表层网状碳化物，因此，加热温度应选在心 部的Ac3以上。 第二次淬火是为了改善渗碳层的组织和 性能，使其获得细针状马氏体和均匀分布的 未溶碳化物颗粒，因此，加热温度通常选在 Ac1以上3050。 两次淬火法的主要缺点是，零件经两次高 温加热及冷却后变形较严重；渗碳层易发生 部分脱碳、

21、氧化；生产周期长和成本高。故 一般很少使用这种方法，只对粗晶粒钢和使 用性能要求很高的零件才用它。 1 1 渗层淬火组织渗层淬火组织 根据表面碳含量、合金元素和淬火温度，渗层根据表面碳含量、合金元素和淬火温度，渗层 淬火组织可分两类：淬火组织可分两类： （1 1）表面无碳化物，自表面至中心，依次由高）表面无碳化物，自表面至中心，依次由高 碳马氏体残余奥氏体逐渐过渡到低碳马氏体；碳马氏体残余奥氏体逐渐过渡到低碳马氏体； （2 2）细小针状马氏体残余奥氏体细小颗粒）细小针状马氏体残余奥氏体细小颗粒 状碳化物状碳化物高碳马氏体残余奥氏体高碳马氏体残余奥氏体逐步过渡逐步过渡 到低碳马氏体。到低碳马氏体

22、。 渗碳后钢的组织与性能 2 渗碳层组织对性能影响渗碳层组织对性能影响 （1）渗碳层碳化物的数量及分布：）渗碳层碳化物的数量及分布： 细小隐晶细小隐晶M组织的基体上均匀分布着适量的粒组织的基体上均匀分布着适量的粒 状碳化物为最好，耐磨性和接触疲劳强度较高；状碳化物为最好，耐磨性和接触疲劳强度较高； 而粗大块状和网状碳化物会破坏基体的连续性而粗大块状和网状碳化物会破坏基体的连续性 而引起脆性，易造成疲劳麻点和表面剥落；而引起脆性，易造成疲劳麻点和表面剥落； （2）残余奥氏体量不易过多；）残余奥氏体量不易过多； （3）心部组织应为低碳马氏体，贝氏体、屈氏）心部组织应为低碳马氏体，贝氏体、屈氏 体，

23、索氏体为好，不允许有大块、多量游离体，索氏体为好，不允许有大块、多量游离F； （4）渗碳淬火后表面处于压应力状态，有利于）渗碳淬火后表面处于压应力状态，有利于 疲劳强度。疲劳强度。 三、渗层淬火组织及对性能影响三、渗层淬火组织及对性能影响 3 3 渗层性能与表面碳量、渗层深度关系渗层性能与表面碳量、渗层深度关系 总体上硬度、耐磨性、疲劳强度随表层总体上硬度、耐磨性、疲劳强度随表层C%,C%, 渗层深度渗层深度而提高，冲击韧性随而提高，冲击韧性随C%C%而降低。而降低。 但但C%C%过高，渗层深度过大，硬度、耐磨性、过高，渗层深度过大，硬度、耐磨性、 疲劳强度反而下降。疲劳强度反而下降。 例如：

24、疲劳强度开始随表层例如：疲劳强度开始随表层C%C%而提高，到而提高，到 0.930.93时具有最高值，然后下降。时具有最高值，然后下降。 渗碳层表面碳浓 度（C） 0.80.931.151.42 疲劳强度 107N/m2 85.392.182.366.6 渗碳层深度及工艺路线 渗碳层深度：0.52mm 采用渗碳工艺的零件的加工工艺路线： 锻造正火机械加工渗碳淬火 低温回火精加工成品 1 1、黑色组织黑色组织 在含在含Cr，Mn及及Si等合金元素的渗碳钢渗碳淬火等合金元素的渗碳钢渗碳淬火 后，在渗层表面组织中出现沿晶界呈现断续网状后，在渗层表面组织中出现沿晶界呈现断续网状 的黑色组织。的黑色组织

25、。 防黑色组织的办法是注意渗碳炉的密封性能，防黑色组织的办法是注意渗碳炉的密封性能， 降低炉气中的含氧量一旦工件上出现黑色组织降低炉气中的含氧量一旦工件上出现黑色组织 时，若其深度不超过时，若其深度不超过0.02mm,可以增加一道磨削可以增加一道磨削 工序，把其磨去，或进行表面喷丸处理。工序，把其磨去，或进行表面喷丸处理。 渗碳缺陷与控制 2、反常组织、反常组织 其特征是在先共析渗碳体周围出现铁素体 层在渗碳件中，常在钢中含氧量较高(如沸腾 钢)的固体渗碳时看到。具有反常组织的钢经淬 火后易出现软点。 补救办法: 适当提高淬火温度或适当延长淬火加 热的保温时间，使奥氏体均匀化，并采用较快的 淬

26、火冷却速度。 3、粗大网状碳化物、粗大网状碳化物 形成原因可能是由于渗碳剂活性太大，形成原因可能是由于渗碳剂活性太大， 渗碳阶段温度过高，扩散阶段温度过低及渗渗碳阶段温度过高，扩散阶段温度过低及渗 碳时间过长引起。碳时间过长引起。 预防补救的办法是分析其原因，采取相预防补救的办法是分析其原因，采取相 应措施，对已出现粗大网状碳化物的零件可应措施，对已出现粗大网状碳化物的零件可 以进行温度高于以进行温度高于ACcm 的高温淬火或正火的高温淬火或正火 4、渗碳层深度不均匀、渗碳层深度不均匀 可能由于原材料中带状组织严重，也可可能由于原材料中带状组织严重，也可 能由于渗碳件表面局部结焦或沉积碳黑，炉

27、能由于渗碳件表面局部结焦或沉积碳黑，炉 气循环不均匀，零件表面有氧化膜或不干净，气循环不均匀，零件表面有氧化膜或不干净， 炉温不均匀，零件在炉内放置不当等所造炉温不均匀，零件在炉内放置不当等所造 成预防措施，应分析其具体原因，采取相成预防措施，应分析其具体原因，采取相 应措施。应措施。 5、表层贫碳或脱碳、表层贫碳或脱碳 其成因是扩散期炉内气氛碳势过低，或其成因是扩散期炉内气氛碳势过低，或 高温出炉后在空气中缓冷时氧化脱碳。高温出炉后在空气中缓冷时氧化脱碳。 补救办法：在碳势较高的渗碳介质中进行补渗。补救办法：在碳势较高的渗碳介质中进行补渗。 在脱碳层小于在脱碳层小于002mm情况下可以采用把

28、其情况下可以采用把其 磨去或喷丸等办法进行补救。磨去或喷丸等办法进行补救。 6、表面腐蚀或氧化、表面腐蚀或氧化 渗碳剂不纯，含杂质多，如硫或硫 酸盐的含量高，液体渗碳后零件表面粘 有残盐，均会引起腐蚀渗碳后零件出 炉温度过高，等温盐浴或淬火加热盐浴 脱氧不良，都可引起表面氧化，应仔细 控制渗碳剂盐浴成分，并对零件表面及 时清洗 。 20mm的小轴，经930，5小时渗碳后， 表面碳的质量分数增加至1.2分析经下 列热处理后表面及心部的组织：13.用 20钢制造的 (1)渗碳后缓冷到室温。 (2)渗碳后直接淬火，然后低温回火。 (3)渗碳后预冷到820，保温后淬火， 低温回火。 (4)渗碳后缓冷到

29、室温，再加热到880oC 后淬火，低温回火。 (5)渗碳后缓冷到室温，再加热到780 oC 后淬火，低温回火。 一、一、氮化的应用及其特点氮化的应用及其特点 氮化：向工件表面渗入氮的工艺。氮化：向工件表面渗入氮的工艺。 性能特点：性能特点： 具有比渗碳淬火更高的表面硬度和耐磨性、 热硬性、HV9501200(HRC6572) 具有高的疲劳强度和抗腐蚀性 氮化温度低，氮化后不需淬火，因而变形小 主要应用： 用于尺寸精度要求高，且耐磨性高的机械零 件。如镗床主轴、精密车床的丝杆等。 表面渗氮 二、二、氮化的基本原理氮化的基本原理 1 1、Fe-NFe-N系相图系相图 二、二、氮化的基本原理氮化的基

30、本原理 -相相 氮在氮在-Fe中的固溶体；中的固溶体； -相相 氮在氮在-Fe中的固溶体；中的固溶体； -相相 成分可变的间隙相，面心立方结成分可变的间隙相，面心立方结 构，可用构，可用Fe4N表示，脆性较小；表示，脆性较小； -相氮化物，可用相氮化物，可用Fe2-3N表示，比较脆；表示，比较脆； -相氮化物，可用相氮化物，可用Fe2N表示，极脆。表示，极脆。 两个共析反应： 590： 650： 2、氮化层的组织、氮化层的组织 由由Fe-N相图可知，相图可知， 在低于共析温度在低于共析温度590C以下进行氮化时，以下进行氮化时， 首先在表面形成首先在表面形成-相，相， 当当-相氮浓度达到饱和时

31、，形成相氮浓度达到饱和时，形成相，相， 当当相的氮浓度达到饱和时，又形成相的氮浓度达到饱和时，又形成相。相。 由表面到心部为：由表面到心部为： 心部组织心部组织 3 3、钢中碳及合金元素对氮化组织的影响、钢中碳及合金元素对氮化组织的影响 （1 1）碳的影响）碳的影响 减少氮的扩散速度，减少氮化层的深度；减少氮的扩散速度，减少氮化层的深度； N N能溶入渗碳体，形成含氮渗碳体能溶入渗碳体，形成含氮渗碳体FeFe3 3(C,N);(C,N); C C能溶入能溶入相，成为相，成为FeFe2-3 2-3(C,N), (C,N),而不溶入而不溶入相相 中。中。 钢中的含碳量（）0.060.431.18

32、氮扩散系数（m2/s) 51091.251090.514109 3 3、钢中碳及合金元素对氮化组织的影响、钢中碳及合金元素对氮化组织的影响 （2 2）合金元素的影响）合金元素的影响 含有氮化物形成元素含有氮化物形成元素CrCr、MoMo、AlAl等时，当表等时，当表 面氮浓度达到面氮浓度达到- -相饱和极限浓度后，按照和相饱和极限浓度后，按照和N N亲亲 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，再形成 CrNCrN，当表面层合金元素都形成氮化物后，才会，当表面层合金元素都形成氮化物后，才会 形成形成和和相。相。 在合金氮化物中，除在合金氮化物中

33、，除CrNCrN及及MoNMoN因与因与相相 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。这些稳定的氮化物高度弥散分相中。这些稳定的氮化物高度弥散分 布在氮化层中，具有高温下几乎不溶入铁、布在氮化层中，具有高温下几乎不溶入铁、 不聚合及长大等特点，因此氮化层表现出极不聚合及长大等特点，因此氮化层表现出极 高的硬度。高的硬度。 选择氮化的钢材，一般应含有选择氮化的钢材，一般应含有CrCr、MoMo、AlAl、V V、 TiTi等氮化物形成元素的钢。等氮化物形成元素的钢。 常用的氮化钢有：常用的氮化钢有： 40Cr40Cr、35CrMo35CrMo、38

34、CrMoAl38CrMoAl等。等。 三、氮化工艺三、氮化工艺 1 1、氮化前的预处理、氮化前的预处理 保证心部有足够的强度支撑较脆的氮化层；保证心部有足够的强度支撑较脆的氮化层； 消除加工应力，减小变形；消除加工应力，减小变形； 为氮化层的性能作组织上的准备。为氮化层的性能作组织上的准备。 常用调质处理，获得回火索氏体组织。常用调质处理，获得回火索氏体组织。 2 2、非氮化层的保护、非氮化层的保护 镀锡镀锡 熔点熔点232C232C，锡熔化后吸附在工件表面，阻碍，锡熔化后吸附在工件表面，阻碍 氮原子渗入，镀锡层厚：氮原子渗入，镀锡层厚：0.0040.0040.008mm0.008mm 涂料涂

35、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、氮化工艺参数、氮化工艺参数 氮化温度氮化温度 500500530C530C 氮化时间氮化时间 氮化速度为氮化速度为0.0050.0050.02mm/h,0.02mm/h,氮氮 化层深度为化层深度为0.40.40.7mm0.7mm，需要几十个小时。，需要几十个小时。 氨气分解率的影响氨气分解率的影响 氮化气氛：分解氨氮化气氛：分解氨 NHNH3 3N+3/2HN+3/2H2 2 氨分解率氨分解率( (氮气体积氢气体积氮气体积氢气体积)/)/炉气总体积炉气总体积 分解率高，工件表面吸附大量的氢气，防碍氨分解率高，

36、工件表面吸附大量的氢气，防碍氨 的吸收，使表面氨浓度降低，氮化层深度减小。的吸收，使表面氨浓度降低，氮化层深度减小。 分解率过低，大量的氨来不及分解，提供活性分解率过低，大量的氨来不及分解，提供活性 氮原子的几率减少，也降低氮化速度。氮原子的几率减少，也降低氮化速度。 试验表明，当分解率在试验表明，当分解率在15154040左右时，钢件左右时，钢件 吸收氨的速度最快。吸收氨的速度最快。 4 4、气体氮化工艺、气体氮化工艺 等温氮化法等温氮化法 为了使渗层的硬度梯度变得尽可能平缓， 增加渗层的深度，可在氮化过程前期，用较 低的氨分解率(1825)。使工件表面迅速吸 收大量氮原子，提高表面的氮浓度

37、，从而形 成弥散度大的氮比物，以提高表面的硬度。 氮化的第二阶段可提高氮的分解率(一般30一 40)，使炉气中活性氮原子得到稀释，表层 的氮浓度不致进一步提高，而且还使氮原子 不断地向内层扩散，增加了渗层的厚度。 为了降低氮化层的脆件，在氮化结束前 2h进行退氮处理，使氮继续向内层扩散，以 降低表而的氮浓度。此时可将氨分解率控制 在70以上。 二段氮化法二段氮化法 第二阶段把温度提高到550一570，氨分解 率控制在40一60之间，目的是加速氮在钢中的 扩散，以增加氮化层深度。由于第一阶段形成的 氯化物稳定性高，在第二阶段稍提高温度时，氮 化物不会显著聚集长大，因此硬度下降不多，面 且可使氮化

38、层的硬度分布趋于平缓。 三段氮化法三段氮化法 三段氮化法是在二段氮化的基础上发展起来 的。它的特点是第二阶段的温度比二段氮化的更 高一些，一般为560580，以进一步提高氮化 速度，达到一定氮化深度后，再将温度降至相当 于第一段的温度或稍高的温度下继续氮化，使表 层氮浓度达到最佳浓度，而不致使表面硬度过低。 工艺路线：工艺路线： 锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质 精加工精加工 去应力去应力粗磨粗磨氮化氮化 精磨或研磨精磨或研磨 40Cr 渗氮空冷渗氮空冷+心部原始组织（心部原始组织（ S回 回） ） 4%硝酸酒精溶液硝酸酒精溶液 4540Cr S回 回 四、加速氮化的方法四、加速氮化的方法

39、 1 1、离子氮化、离子氮化 利用高压电场在含利用高压电场在含 氮的稀薄气体中引起氮的稀薄气体中引起 辉光放电，使气体电辉光放电，使气体电 离，产生活性氮原子离，产生活性氮原子 渗入工件表面的过程。渗入工件表面的过程。 离子氮化的特点离子氮化的特点 氮化速度快，生产周期短氮化速度快，生产周期短 a)阴极溅射作用使表面活化，促进了氮化反应阴极溅射作用使表面活化，促进了氮化反应 b)氮的正离子在电场的作用下，轰击表面，产氮的正离子在电场的作用下，轰击表面，产 生溅射的同时，氮原子直接进入金属，渗入速度生溅射的同时，氮原子直接进入金属，渗入速度 快。同样的氮化层深度，时间仅为气体渗氮的快。同样的氮化

40、层深度，时间仅为气体渗氮的 1/21/3. 氮化层质量好氮化层质量好 阴极溅射有抑制脆性相生成的作用，避免阴极溅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，明显提高了氮化层的韧性相，明显提高了氮化层的韧性 和疲劳强度。和疲劳强度。 工件变形小工件变形小 加热温度低，时间短加热温度低，时间短 氮化前不需去钝化处理，阴极溅射能有效除氮化前不需去钝化处理，阴极溅射能有效除 去钝化去钝化 工艺特点：工艺特点： 对材料的适应性强。对材料的适应性强。渗氮用钢、碳钢、渗氮用钢、碳钢、 合金钢和铸铁都能进行离子渗氮，但专合金钢和铸铁都能进行离子渗氮，但专 用渗氮钢（如用渗氮钢（如38CrMoAlA）效果最佳。）效果最佳。 缺点：缺点：投资高，温度分布不均，测温困投资高，温度分布不均，测温困 难和操作要求严格等。难和操作要求严格等。 2 2、洁净氮化、洁净氮化 在氮化气氛中加入氯化铵，可洁净工件在氮化气氛中加入氯化铵，可