化学热处理后的组织与性能

一、目的和要求化学热处理后的组织与性能

1、了解碳钢的基本渗碳工艺；

2、熟悉钢渗碳后热处理的组织特征；1、化学热处理实验所用的简单实验设备；2、进行化学热处理的实验样品;3、切割机（或者锯刀）、砂轮机、锉刀、预磨机、抛光机、洛氏和布氏硬度试验机；二、仪器、设备和材料

1、化学热处理的定义

将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能的一种热处理工艺。

活性原子从工件表层向内部的扩散原理:渗剂分解出活性原子工件表面吸收活性原子三、实验原理2、化学热处理的目的获得单一材料难以获得的性能或进一步提高制件的使用性能。1）碳钢渗C或C、N共渗→（淬火）获得表面高硬度、耐磨性，心部保持良好的塑韧性。2）渗氮（软N化或离子渗N）→表面耐磨、抗腐蚀。3）渗Al→提高工件表面抗氧化、耐磨性能力。3、化学热处理的分类以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。1）渗入非金属元素：

单元渗：C、N、B、O、S、Si等；多元渗：C＋N、O＋N、O＋C＋N2）渗入金属元素：

单元渗：Al、Cr、Ti、Nb、V、Zn

多元渗：Al＋Si、Al＋Cr、Al＋V、

Al＋Cr＋Si3）渗入元素对表面性能作用分类：

提高渗层强度及耐磨性→渗C、N、B、Nb、V等。

高抗氧化、耐高温→Al、Cr。

提高抗啮合、抗擦伤→渗S、N、磷化等。

提高抗腐性能→渗N、渗Si、渗Zn。4）质的物理状态分：

固体―如固体渗C、固体渗B等。

液体―如盐溶炉渗B或B、C、N共渗等，渗Al等金属气体―气体渗C和C、N共渗。4）能获得具有特殊性能的表面层

3）经济效果好2）具有较好的工艺性1）不受工件几何形状的限制4、化学热处理的特点不受工件几何形状的限制即任何几何形状复杂的工件经过化学热处理后，均可获得沿其轮廓分布的均一的表面化学热处理层

具有较好的工艺性如开裂倾向较小；处理温度范围较宽；对冷却介质的敏感性较小等等经济效果好能获得具有特殊性能的表面层廉价的钢材经化学热处理后可获得表面性能高的工件。经化学热处理的碳钢件的表层性能不亚于同类合金钢的性能。

如耐腐蚀性、耐磨性等

基本过程——大致分为三个阶段：分解阶段：渗剂中的化学反应分解出渗入元素的活性原子;吸收阶段：活性原子被金属表面吸收;扩散阶段：渗入原子在金属基体内达到一定浓度后从工件表面向内部扩散;5、化学热处理的基本过程6、几种化学热处理工艺的比较7、化学热处理的应用化学热处理方法、渗层深度、组织、性能及主要应用范围如下表。钢的渗碳一、渗碳的概述（1）概念：将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的一种表面化学热处理工艺。（2）目的：提高零件的表面硬度、耐磨性高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度心部保持良好的塑性与韧性。排气升温增碳期扩散期降温期均温升温渗碳扩散冷却渗碳工艺过程典型气体吸热式连续渗碳工艺，分为升温、渗碳、扩散和冷却四个区域。（3）分类：按渗碳介质状态不同，分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。以气体渗碳应用最广泛。（4）渗碳的材料含碳量为0.1－0.3％的低碳钢或合金钢。问题：在什么状态下渗碳？A还是F？基本思路：在Fe—C相图中，α-Fe中碳的最大溶解0.0218%，而γ-Fe中碳的最大溶解度达到2.11%，所以在高温下，A状态下渗碳，可以获得高的表面含碳量。渗后低温淬火，以期获得最高强度和最大表面硬度。

二、渗碳方法：（一）气体渗碳（1）概念：把工件放在一定温度的富碳气体介质中，加热和保温进行渗碳的工艺。（2）特点：操作简便，周期短，质量容易控制，劳动条件好。（3）常用渗碳设备：按热源分为电加热炉和煤气加热炉。滚筒炉卧式振底式输送带式旋转罐式推杆式连续式炉周期式炉气体渗碳炉（4）常用的渗碳剂渗碳剂气态渗剂天然气丙烷煤气等液态渗剂煤油甲醇乙醇丙酮苯等井式气体渗碳炉大型井式渗碳炉钢的气体渗碳气体渗碳炉

(二)、固体渗碳法（1）固体渗碳过程主要由下列步骤组成：①在灼热的固体碳表面上，CO2与碳反应生成CO；②在金属工件表面，CO分解析出活性碳原子；③活性碳原子被工件表面吸收，并向内部扩散。（2）固体渗碳的优缺点：优点：不需要专门的渗碳设备，操作简单，成本低，大小零件都能用。缺点：渗速慢，渗碳时间长，渗层不易控制，不能直接淬火，劳动条件差，效率低。（3）固体渗碳剂：固体渗碳剂主要由供碳剂、催化剂组成。供碳剂一般为木炭、焦炭；催化剂一般是碳酸盐。（4）固体渗碳工艺：把工件埋入渗碳箱中，四周填满固体渗碳剂，并用盖和耐火泥将箱密封，然后送入加热炉中，加热至渗碳温度(900∼930°C)，保温一定时间后出炉，即得所需样品。（5）常用的设备：固体渗碳箱，箱式电炉、反射式燃煤炉零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱钢的固体渗碳炉(三)、液体渗碳法（1）概念：在熔融状态的盐溶渗碳剂中进行渗碳的工艺。（2）液体渗碳工艺：液体渗碳温度及盐浴活性是决定渗碳速度和表面碳含量的主要因素。对于渗层薄及变形要求严格的工件，可采用较低的渗碳温度（850∼900°C）；对于要求渗层厚者，渗碳温度要高一些（910∼950°C）。温度一定条件下，渗碳保温时间由渗层深度决定。（3）常用的设备：内热式或外热式盐炉（4）液体渗碳优缺点优点：加热速度快，加热均匀，渗碳后便于直接淬火，适合于处理中、小型零件。缺点：多数盐浴有毒。（5）液体渗碳后的冷却方式①随炉降温或将工件移至等温槽中预冷，然后直接淬火（预冷温度应高于心部铁素体析出的温度）。②等温槽预冷后，工件出炉空气冷却（预冷目的是为了减少表面脱碳及氧化），然后重新加热淬火。三、一般渗碳件的工艺路线锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火+低温回火→精加工四、渗碳后热处理的目的

钢铁经过渗碳处理后，表面碳含量虽然很高，但其硬度不高，只有经过热处理后，使其转变成马氏体，才能获得较高的硬度和耐磨性能。a.提高工件表面的强度、硬度和耐磨性能；b.提高心部的强度和韧性；c.细化晶粒；d.消除网状碳化物和减少残留奥氏体；e.消除内应力，稳定尺寸。五、渗碳后的组织与性能1、渗碳后缓冷到室温下的组织表面过共析区：P＋Fe3CII；接近共析区：P；亚共析区（过渡区）：F＋P；心部：原始组织。共析区过共析区亚共析区心部渗碳后缓冷，渗层分三个区域：①过共析层：OA段珠光体＋网状渗碳体②共析层：A段珠光体③过渡层：AC段珠光体＋铁素体心部原始组织：大量铁素体＋少量珠光体渗碳层的组织过共析组织(P+Fe3CⅡ)共析组织(P)过渡区亚共析组织(P+F)原始亚共析组织(F+P)2、渗碳后淬火加低温回火后的组织：表面：回火马氏体+颗粒状碳化物+残余奥氏体；心部组织依据钢种来确定。若为低碳钢，淬透性差，为铁素体+珠光体；若为低碳合金钢，淬透性好，为马氏体加少量铁素体。渗碳后淬火及低温回火后的显微组织20CrMnTi钢齿轮渗碳后淬火+低温回火后的组织：节园：M回＋K＋A'心部：低碳M齿顶：M回＋K＋A'六、渗碳后的钢的机械性能硬度和耐磨性渗碳并淬火后可显著提高钢件的表面硬度和耐磨性。冲击韧性和断裂韧性钢件经过渗碳后，其冲击韧性和断裂韧性都降低，并且表面碳含量越高、渗层越深，这两种性能降低越厉害。疲劳强度钢件经过渗碳后，其疲劳强度显著提高：表面碳含量越高，马氏体开始转变温度越低，得到的马氏体比容比心部大，在表面层得到的残余压应力越大，它可以抵消相当部分由外加负载引起的拉应力，从而提高疲劳强度。一定层深的高硬度渗透层，可以提高抵抗微裂纹的形成和扩展，从而提高疲劳裂纹。七、渗碳件的组织对性能的影响（1）表层碳含量：表面含碳量应控制在0.9％左右。（2）残留奥氏体：与马氏体相比，残留奥氏体强度、硬度较低，塑性、韧性较高，组织中有一定数量的残留奥氏体，能起到对外力缓冲和使应力分布均匀的作用，增加了疲劳裂纹形成和扩展的阻力，提高了钢的断裂韧性；不宜超过30％（3）渗层碳化物：可显著提高工件的耐磨性和抗咬合性，但粗大块状或网状碳化物的存在，会破坏基体组织的连续性而引起脆性，使工件表面产生剥落。（4）心部硬度及组织：工件心部硬度取决于钢的碳含量。合适的心部组织应为低碳马氏体、贝氏体或索氏体，不允许有大块、大量的铁素体存在。（5）渗碳层深度：渗碳层的深度愈深，可以承载接触应力愈大。在满足工件使用要求的前提下，渗层越浅越经济。过多地增加层深，会使表面残余压应力降低，工件韧性下降，疲劳强度降低。

图5-21块状碳化物级别8级400×

八、渗C缺陷及控制1.表面粗大网状、块状碳化物控制方法：降低渗碳剂浓度、数量，强渗期温度调低。形成原因：碳势太高，温度太高，保温时间太长。返修方法：调整碳势并补渗；脱C层≤0.02mm时，喷丸处理18CrMnTi渗碳表面脱碳2.表层贫碳或脱碳形成原因：扩散期碳势降低太多，炉子漏气，缓冷或出炉时氧化脱碳形成成因：渗C或淬火温度过高，使A中的C及含C量过高。防止方法：降低碳势，降低渗C温度和淬火温度，降低重淬温度。返修方法：（1）深冷处理，使A′→M（2）高温回火后重淬表面大量残余奥氏体400×

3.表面大量残余奥氏体形成成因：炉温不均匀，炉气循环不好，碳黑沉积在工件表面,固体渗C时，渗剂不均匀4.渗C层深度不均匀形成原因：炉温低，碳势低，漏气，装炉量过大等防止办法：检查渗剂给入量，修复炉子不良状况，清理沉积碳黑。返修方法：补渗5.渗层深度不够6.表面硬度低形成成因：表面碳浓