工艺钢的化学热处理

工艺钢的化学热处理第一页，共一百一十三页，2022年，8月28日2、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。第二页，共一百一十三页，2022年，8月28日3、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＋Si第三页，共一百一十三页，2022年，8月28日3）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。第四页，共一百一十三页，2022年，8月28日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.钢的化学热处理具有如下特点第五页，共一百一十三页，2022年，8月28日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第六页，共一百一十三页，2022年，8月28日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、耐磨性等第七页，共一百一十三页，2022年，8月28日5.1基本原理一、化学热处理的基本过程基本过程——

大致分为三个阶段：1.分解阶段：渗剂中的化学反应分解出渗入元素的活性原子2.吸收阶段：活性原子被金属表面吸收3.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第八页，共一百一十三页，2022年，8月28日1、渗剂分解渗剂一般由含有被渗元素的物质组成，有时加入一定量的催渗剂，催化渗剂分解反应。渗剂必须具有一定活性。渗剂活性：在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。催化剂：是促进含有被渗元素的物质分解或产生出活性原子的物质。例如：渗碳时除木炭外加碳酸钡或碳酸钠界面反应第九页，共一百一十三页，2022年，8月28日化学热处理时渗剂分解出被渗元素活性原子的反应有：1）分解反应：如普通气体渗碳、渗氮时，2）置换反应：渗金属时，3）还原反应：如渗金属时，第十页，共一百一十三页，2022年，8月28日2、吸附过程及影响因素

固体表面对气相的吸附作用按其作用力的性质不同可分为物理吸附和化学吸附两类。1）物理吸附：没有电子转移和化学键生成的吸附现象。这种吸附能迅速达到平衡，并在较低温度下发生。温度升高时吸附量下降，温度下降时吸附量又增加。2）化学吸附：当气体（吸附质）与金属表面（吸附剂）接触时二者以高速发生反应形成化学键，即发生电子交换，组成离子键结合或共价键结合叫化学吸附。化学吸附在低温时速度较小，随温度升高明显增大，这种吸附可以使分子解离。第十一页，共一百一十三页，2022年，8月28日吸附是物质在相界面上自动聚集的过程。吸附过程并非在固体表面均匀进行，吸附中心往往出现在表面的一些缺陷处。吸收过程就是活性原子由钢的表面进入晶格的过程。钢的表面上存在大量的位错和晶界，为活性原子的渗入提供了方便的通道。第十二页，共一百一十三页，2022年，8月28日

扩散指金属表面溶入被渗元素后，该元素浓度增加，形成浓度差，发生迁移现象。（1）纯扩散与反应扩散纯扩散指渗入元素原子在母相金属中形成固溶体,在扩散过程中不发生相变或化合物的形成和分解。纯扩散常发生在化学热处理的初期，或渗剂的活性不足以形成饱和浓度的场合。如渗碳。反应扩散指通过扩散使固溶体溶质组元的浓度超过固溶度极限而形成新相的过程。3、化学热处理的扩散过程第十三页，共一百一十三页，2022年，8月28日在化学热处理中，渗入元素原子在金属中形成的固溶体有两种：当渗入元素为原子半径较小的非金属元素（C、N、B)时，其与金属形成间隙固溶体；当渗入元素是金属元素时，其与原金属形成置换固溶体（铝、铬、硅、锌等）。第十四页，共一百一十三页，2022年，8月28日渗层指在钢的表面渗入某种元素后，从表面向内保持该元素较高浓度的距离。（2）影响渗层深度的因素：20MnSi930℃渗碳10h后硬度第十五页，共一百一十三页，2022年，8月28日1）渗层深度与扩散时间的关系说明渗层深度δ与时间t呈抛物线关系；即延长化学热处理时间，相邻区域的浓度差减小，扩散速度逐渐降低；随时间延长，扩散浓度的增加值也越来越少（先快后慢）。第十六页，共一百一十三页，2022年，8月28日2）渗层深度与温度的关系渗层深度与温度呈指数关系，因而温度对深度的影响，远比时间的影响强。3）表面浓度愈高，相同扩散时间条件下，渗层深度愈深。第十七页，共一百一十三页，2022年，8月28日（3）扩散层的组织结构扩散层的组织结构可以根据基体金属与渗入元素的合金状态图及扩散条件来确定。第十八页，共一百一十三页，2022年，8月28日扩散层形成规律（渗剂B向金属A扩散为例）

T1CmCminAT/℃Cmax1234CmCminCmaxAnBm由表至里距离AnBmAnBm′α表面αAAnBm′αAAnBm′αAAnBmT1温度下扩散层组织变化过程第十九页，共一百一十三页，2022年，8月28日第二十页，共一百一十三页，2022年，8月28日T1温度下扩散层组织AnBm′αAAnBm冷却到室温后扩散层组织AnBm′αAAnBm快冷慢冷AnBm′AnBm′+αAAnBmα第二十一页，共一百一十三页，2022年，8月28日1、物理催渗法概念：是利用改变温度、气压，或利用特定的物理场（等离子场、真空、高频、电磁场等），加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，及加速渗入元素的扩散等。基本方法：A)高温化学热处理；B)高压或负压化学热处理；C)高频化学热处理；D)采用弹性振荡加速。二、加速化学热处理过程的途径第二十二页，共一百一十三页，2022年，8月28日2、化学催渗法概念：是在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗剂的分解，去除表面钝化膜，改善工件表面活化状态，以提高渗剂活性和增加活性原子的浓度。从而提高渗入能力。分类：A)卤化物催渗法；B）提高渗剂活性的催渗方法。第二十三页，共一百一十三页，2022年，8月28日5.2钢的渗碳一、渗碳的概述概念：

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。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。第二十四页，共一百一十三页，2022年，8月28日分类：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。渗碳的材料

含碳量为0.1－0.3％的低碳钢或合金钢。

低淬透性、低强度

15、20、25

中等强度，淬透性

20Cr、20Mn2、20MnV

高强度，淬透性

20CrMnTi、

20CrMnMo等。超高强度

20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA

第二十五页，共一百一十三页，2022年，8月28日

(1)固体渗碳法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。第二十六页，共一百一十三页，2022年，8月28日a、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。木炭与渗碳箱内的氧气发生反应：

C+O2→CO2,CO2+C→2CO2CO→CO2+[C]催化剂的反应为：

BaCO3→BaO+CO2,CO2+C→2CONa2CO3→Na2O+CO2,CO2+C→2CO第二十七页，共一百一十三页，2022年，8月28日

b、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。第二十八页，共一百一十三页，2022年，8月28日优点：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。第二十九页，共一百一十三页，2022年，8月28日

(2)液体渗碳法在熔融状态的盐溶渗碳剂中进行渗碳的工艺。1)、液体渗碳用盐液体渗碳盐浴一般由中性盐和渗碳剂组成，中性盐一般不参与渗碳反应，主要起调整盐浴密度、熔点和流动性的作用。传统的渗碳盐浴以NaCN为供碳剂，这种盐浴相对易于控制，渗碳件表面碳含量较稳定，但氰盐有剧毒。近年来发展了低氰渗碳盐浴（NaCN含量保持在0.7-2.3%）和无NaCN型渗碳盐浴（用木炭粉和SiC作为供碳剂）。第三十页，共一百一十三页，2022年，8月28日

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)、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。第三十一页，共一百一十三页，2022年，8月28日4)、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。第三十二页，共一百一十三页，2022年，8月28日3、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。气体渗碳示意图第三十三页，共一百一十三页，2022年，8月28日气体渗碳根据所用渗碳气体的产生办法及种类，可分为滴注式、吸热式和氮基式三种气体渗碳方法。1)、滴注式气体渗碳滴注式气体渗碳是指将苯、醇、煤油等有机液体直接滴入渗碳炉中裂解进行气体渗碳的方法。滴注式气体渗碳，一般采用两种有机液体同时滴入炉内。一种液体高温下分解产生的气体碳势较低，作为稀释气体；另一种液体高温下分解产生的气体碳势较高，作为渗碳气体。第三十四页，共一百一十三页，2022年，8月28日

滴注剂的选择原则①渗碳能力强，足够的活性原子用碳氧比与碳当量衡量（液体介质）

碳氧比：分子式中碳氧原子数之比。

C/O越大，分解的活性碳原子越多渗碳能力越强。甲醇CH2OHC/O=1

乙醇C2H2OHC/O=2

丙酮CH3COCH3C/O=3第三十五页，共一百一十三页，2022年，8月28日

碳当量：产生一克分子碳所需该物质的量。碳当量越小，渗碳能力越强。甲醇CH2OH碳当量＝64

乙醇C2H2OH碳当量＝46

丙酮CH3COCH3碳当量＝29

渗碳能力由强至弱顺序：丙酮、乙丙酮、乙酸、乙脂、乙醇、甲醇②气氛成分的稳定性③原料经济，来源方便，无公害第三十六页，共一百一十三页，2022年，8月28日碳势调节方法：①改变两种液体的滴入比例来调节碳势。②使用几种渗碳能力不同的液体，通过改变液滴来调节碳势。滴注式气体的渗碳过程:分为四个阶段：排气、强渗、扩散及降温出炉①排气阶段：加大渗碳剂（稀释剂）滴量，使炉内氧化性气氛迅速减少。②强渗阶段：渗碳剂滴量较多，保证炉气有较高碳势，以提高渗碳速度。第三十七页，共一百一十三页，2022年，8月28日③扩散阶段：减少渗碳剂滴量，保持预定的碳势，使表层过剩的碳向内部扩散，最后得到要求的深度及合适的碳含量分布。④降温出炉阶段：直接淬火的工件，随炉冷至适宜的淬火温度，保温15∼30min后出炉淬火；需重新加热淬火的工件，自渗碳温度出炉后在空气中冷却。第三十八页，共一百一十三页，2022年，8月28日2)、吸热式气氛气体渗碳

吸热式气氛渗碳时，炉内渗碳气体由吸热式气体（CO、H2、N2、H2O、CO2、O2等）加富化气（CH4、C3H8）组成。吸热式气氛由一定比例的原料气（天然气、丙烷、丁烷等碳氢化合物）和空气混合，通过内部催化剂、外部加热的反应罐，经吸热反应制备所得的气氛。吸热式气氛的化学反应通式：第三十九页，共一百一十三页，2022年，8月28日3)、氮基气氛渗碳

氮基气氛渗碳是一种以纯氮为载体，添加碳氢化合物进行气体渗碳的工艺方法。特点：①不需要气体发生装置。②成分与吸热式气氛基本相同，渗碳层深度的均匀性不低于吸热式气氛渗碳。③具有与吸热式气氛相同的点燃极限，由于N2能自动安全吹灭，故采用氮气气氛的工艺具有更大的安全性。④渗碳速度不低于吸热式气氛渗碳。第四十页，共一百一十三页，2022年，8月28日

(4)真空渗碳法是一种较新的气体渗碳工艺。1)真空渗碳的温度和适用范围第四十一页，共一百一十三页，2022年，8月28日特点a由于将渗碳温度由普通气体渗碳时900∼950°C提高到1030∼1050°C以上，以及由于真空加热的表面净化作用所造成的表面活化状态，使渗碳时间显著缩短。b.渗碳表面质量好，渗碳层均匀，没有过渡渗碳的危险等，无脱碳现象，工件变形小，节省能源。c.作业条件好，如排除了烟、热对环境的污染等。第四十二页，共一百一十三页，2022年，8月28日二、评定渗碳质量的主要技术指标：1、渗碳层的碳浓度：0.85－1.05％。碳浓度低，则耐磨性不够，疲劳强度较低。碳浓度过高渗层变脆，出现网状或块状碳化物，则很容易剥落影响使用寿命。渗碳层的浓度梯度也应满足一定要求，渗层的碳浓度梯度应平衡下降。第四十三页，共一百一十三页，2022年，8月28日2）渗层深度：为了提高工件的疲劳强度，渗碳层的总浓度和工件断面之间有一个经验的比例关系：轴类齿轮薄片零件R－半径(mm)；m－模数(mm)；t－厚度(mm)。一般情况，小截面工件渗层深度不大于工件截面的20％；大截面工件渗层深度不大于2~3mm。第四十四页，共一百一十三页，2022年，8月28日四、渗碳后的热处理工件渗碳后，表层高碳，心部低碳。为获得理想的性能，需要进行热处理。第四十五页，共一百一十三页，2022年，8月28日渗碳后热处理的目的

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。第四十六页，共一百一十三页，2022年，8月28日1、直接淬火渗碳后，预冷到一定温度，立即进行淬火冷却，这种方法适合于气体或液体渗碳，固体渗碳不适合。2、一次淬火法工件渗碳后随炉冷却到室温，然后再重新加热到淬火温度，经保温后淬火。3、两次淬火法将渗碳缓冷到室温的工件进行两次加热淬火。注意：淬火后需要进行低温回火。第四十七页，共一百一十三页，2022年，8月28日1、直接淬火法本质细晶粒钢渗碳件，渗碳后晶粒不易长大，渗碳后可直接预冷淬火，＋180～200ºC

低温回火第四十八页，共一百一十三页，2022年，8月28日优点：减少加热和冷却的次数，使操作简化、生产效率提高，还可减少淬火变形及表面氧化脱碳。缺点：渗碳温度高，奥氏体晶粒粗大，淬火后A’较多，工件性能下降。只适用于本质细晶粒钢或性能要求较低的零件。第四十九页，共一百一十三页，2022年，8月28日工件渗碳后直接出炉，空冷至室温，然后再重新加热淬火。淬火温度的选择要兼顾表面和心部的要求。①心部要求较高强韧性的零件，加热至心部Ac3稍上。心部:细小的低碳M；表面可消除网状渗碳体；晶粒较粗大，残余奥氏体较多，影响耐磨性。②对表面耐磨性要求较高的零件，加热温度应选择在Ac1稍上，表面层为M、未溶碳化物和少量残余奥氏体心部低碳M和未溶铁素体。2、一次淬火法第五十页，共一百一十三页，2022年，8月28日3)、二次淬火将渗碳后的工件置于空气中冷却，然后再进行两次淬火和低温回火。第一次淬火温度：Ac3+30-50℃，目的：细化心部组织，使淬火后心部组织为细晶粒低碳马氏体，消除渗层的网状碳化物。第五十一页，共一百一十三页，2022年，8月28日第二次淬火温度：Ac1+30-50℃，目的：使表层得到细针状马氏体和呈小颗粒状分布的二次渗碳体，减少渗层的残留奥氏体数量。优点：能获得较好的表面和心部组织。缺点：工艺较复杂，工件易氧化、脱碳和变形。仅在当直接淬火、一次淬火无法满足要求时才使用。第五十二页，共一百一十三页，2022年，8月28日五、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。共析区过共析区第五十三页，共一百一十三页，2022年，8月28日渗碳后缓冷，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＋少量珠光体第五十四页，共一百一十三页，2022年，8月28日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)第五十五页，共一百一十三页，2022年，8月28日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。亚共析区心部第五十六页，共一百一十三页，2022年，8月28日3、性能表面：具有较高的硬度、耐磨性以及疲劳强度；心部：具有良好的塑性与韧性。第五十七页，共一百一十三页，2022年，8月28日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。第五十八页，共一百一十三页，2022年，8月28日（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。第五十九页，共一百一十三页，2022年，8月28日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→精加工第六十页，共一百一十三页，2022年，8月28日六、渗碳件的质量检查

1、渗碳层的深度的检查（测定）常用随炉渗碳试样来判别。（1）断口分析法：将渗碳试样淬火后打断观察，渗层断口呈白色瓷状，未渗碳部位为灰色纤维状，两层交界处的含碳量约为0.4％。为了清楚地显示渗碳层，可将试样断口磨平抛光，4％硝酸酒精溶液腐蚀，渗碳层呈黑色，中心部分呈灰色，直接用读数放大镜测出渗层深度。（2）金相分析法：退火态下测量。碳钢件：从表面测到过渡区的1/2处。合金钢：从表面到出现原始组织为止。第六十一页，共一百一十三页，2022年，8月28日（3）硬度法：渗碳渗层深度为从表面向里到硬度HV550。2、硬度检查：根据技术要求和工艺规定的部位检查硬度。

一般要求检查淬火及低温回火后的表面硬度(大于58HRC)和心部硬度。

3、金相组织检查渗碳件淬火及回火后的金相组织检查，包括表层碳化物的数量，分布特征，马氏体粗细，残余奥氏体的含量，心部游离铁素体的数量大小分布状态。第六十二页，共一百一十三页，2022年，8月28日

图5-21块状碳化物级别8级400×

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。第六十三页，共一百一十三页，2022年，8月28日返修方法：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第六十四页，共一百一十三页，2022年，8月28日形成成因：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第六十五页，共一百一十三页，2022年，8月28日形成成因：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.渗层深度不够第六十六页，共一百一十三页，2022年，8月28日7.表面硬度低形成成因：表面碳浓度低，A′量多，或表面形成屈氏体组织返修方法：补渗、深冷、重淬。8.变形成因形成：摆放不当，压挤防止方法：合理吊装工件，淬火压床加压淬火9.开裂――在缓冷过程中产生表面裂纹形成成因：渗C后空冷渗层组织转变不均匀所致。如

20CrMnMo渗后空冷，表层先形成薄层屈氏体，下面为A，继续冷却时A→M，表面形成拉应力所至。防止方法：先减慢冷速使渗层共析转变后再快冷。第六十七页，共一百一十三页，2022年，8月28日

用20钢制造的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：

20钢AC3为855℃，Ar3为835℃；T12钢Acm为820℃(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)渗碳后缓冷到室温，再加热到880℃后淬火，低温回火。

(5)渗碳后缓冷到室温，再加热到780℃后淬火，低温回火。第六十八页，共一百一十三页，2022年，8月28日3.金属的氮化定义：钢铁工件在一定温度的含有活性氮的介质中保温一定时间，使其表面渗入氮原子的过程称为渗氮或氮化。目的：提高工件的表面硬度、疲劳强度、耐磨性、耐蚀性及抗咬合性。第六十九页，共一百一十三页，2022年，8月28日α相—氮溶于α-Fe中的固溶体（含氮铁素体），体心立方结构，N含量<0.11%。γ’相—以Fe4N为基的固溶体，面心立方结构，N含量5.7-6.1%。ε相—以Fe3N为基的固溶体，密排六方结构，N含量8.25-11%。γ相—存在于共析温度(590°C)之上，含氮奥氏体，面心立方结构。ξ相—以Fe2N为基的固溶体，正交结构，N含量11-11.35%。极脆，容易脆裂和剥落，渗氮时应避免此相出现。两个共析反应：590℃：γ→α＋γ’650℃：ε→γ＋γ’第七十页，共一百一十三页，2022年，8月28日钢的渗氮过程钢铁的渗氮过程和其它化学热处理过程一样，由分解、吸收、扩散三个基本过程组成。渗剂的分解：指渗剂中分解出含有活性氮原子的物质。使用最多的渗氮介质是氨气。2NH3→3H2+2[N]第七十一页，共一百一十三页，2022年，8月28日活性氮原子遇到铁原子时发生如下反应：Fe+[N]→Fe(N)4Fe+[N]→Fe4N3Fe+[N]→Fe3N2Fe+[N]→Fe2N活性氮原子被钢的表面吸收形成固溶体和氮化物，随着氮化时间的增长，氮原子逐渐往里扩散，形成一定深度的氮化层。第七十二页，共一百一十三页，2022年，8月28日由Fe-N相图可知，在低于共析温度590ºC以下进行氮化时，首先在表面形成α-相，当α-相氮浓度达到饱和时，形出γ´相，当γ´相的氮浓度达到饱和时，又形成ε相。1、由铁-氮状态图可见，在低于590℃氮化，渗氮层组织由表及里为：平衡条件下：ε→ε+γ′→γ′→γ′+ɑ→ɑ相实际上：ε→γ′→ɑ相

氮化层的组织第七十三页，共一百一十三页，2022年，8月28日第七十四页，共一百一十三页，2022年，8月28日●这是由于冷却不够缓慢，γ′相不易从ε相中析出；同样，γ′相也不易从ɑ相中析出，两相区ε+γ′、γ′+ɑ不会出现，所以，金相观察只有ε→γ′→ɑ相组织。●同理，在大于600℃渗氮后，渗氮层组织由表及里为：实际上：ε→γ′→ɑ相第七十五页，共一百一十三页，2022年，8月28日38CrMoAl气体渗氮层组织(化染)650黄色区:ε(Fe2-3N)+γ’(Fe4N);红色区:γ’(Fe4N);蓝绿色区:含氮索氏体+脉状氮化物;

绿黄色区:索氏体基体。第七十六页，共一百一十三页，2022年，8月28日3、钢中碳及合金元素对氮化组织的影响（1）碳的影响①减少氮的扩散速度，减少氮化层的深度；②N能溶入渗碳体，形成含氮渗碳体Fe3(C,N);③C能溶入ε相，成为Fe2-3(C,N),而不溶入γ´相中。钢中的含碳量（％）0.060.431.18氮扩散系数（m2/s)5×10－91.25×10－90.514×10－9第七十七页，共一百一十三页，2022年，8月28日3、钢中碳及合金元素对氮化组织的影响（2）合金元素的影响含有氮化物形成元素Cr、Mo、Al等时，当表面氮浓度达到α-相饱和极限浓度后，按照和N亲和力的大小，先形成AlN，然后形成MoN，再形成CrN，当表面层合金元素都形成氮化物后，才会形成γ´和ε相。第七十八页，共一百一十三页，2022年，8月28日

选择氮化的钢材，一般应含有Cr、Mo、Al、V、Ti等氮化物形成元素的钢。常用的氮化钢有：

40Cr、35CrMo、38CrMoAl等。三、氮化工艺

1、氮化前的预处理①保证心部有足够的强度支撑较脆的氮化层；②消除加工应力，减小变形；③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。第七十九页，共一百一十三页，2022年，8月28日2、非氮化层的保护①镀锡熔点232ºC，锡熔化后吸附在工件表面，阻碍氮原子渗入，镀锡层厚：0.004～0.008mm②涂料水玻璃＋石墨粉，涂后烘干，涂2～3次。3、氮化工艺参数①氮化温度500～530ºC②氮化时间氮化速度为0.005～0.02mm/h,氮化层深度为0.4～0.7mm，需要几十个小时。第八十页，共一百一十三页，2022年，8月28日渗氮件的性能⑴氮化件表面硬度高（HV1000-1200），耐磨性高（表面形成了一层极硬的合金氮化物）。此性能可维持到相当高的温度（600-650°C）。⑵疲劳强度高（氮化后表层体积增大，产生压应力）。(3)耐腐蚀性好（表层形成的氮化层由致密的、抗腐蚀的氮化物ε和γ’组成，其化学稳定性高）。(4)工件变形小（氮化温度低，氮化后不需进行热处理）。第八十一页，共一百一十三页，2022年，8月28日渗氮工艺方法

根据渗氮目的不同，渗氮工艺方法分成两大类：一类是以提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度等为主要目的而进行的渗氮，称为强化渗氮；另一类是以提高工件表面抗腐蚀性能为目的的渗氮，称为抗腐蚀渗氮，也称防腐渗氮。

第八十二页，共一百一十三页，2022年，8月28日①一段渗氮（等温氮化）在同一温度下长时间保温的渗氮工艺.第八十三页，共一百一十三页，2022年，8月28日在20h内采用较低的氨分解率，使工件表面迅速吸收大量氮原子，形成弥散分布氮化物，提高工件表面硬度；在中间阶段，氨分解率提高到30-40%，使表层氮原子向内扩散，增加渗层深度；保温结束前2-4h，氨分解率高于80%以上，进行退氮处理，减薄或清除脆性白亮层。第八十四页，共一百一十三页，2022年，8月28日②二段氮化法

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，面且可使氮化层的硬度分布趋于平缓。第八十五页，共一百一十三页，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础上发展起来的。它的特点是第二阶段的温度比二段氯化的更高一些，一般为560~580℃，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氯化，使表层氮浓度达到最佳浓度，而不致使表面硬度过低。第八十六页，共一百一十三页，2022年，8月28日工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→去应力→粗磨→氮化→精磨或研磨第八十七页，共一百一十三页，2022年，8月28日五、氮化层质量的检查

1、氮化层的深度（1）断口法出炉后在凹槽处敲断，用25倍带刻度的放大镜测量，氮化层组织较细呈瓷状，中心组织较粗，很易区分。（2）金相法将氮化试棒制成金相试样，腐蚀后在显微镜下测量。第八十八页，共一百一十三页，2022年，8月28日2、氮化层硬度氮化层很薄，一般用载荷较小的维氏硬度，10kg负载。3、氮化层的脆性一般用维氏硬度压痕形状来评定；1、2级为合格，3、4级为不合格第八十九页，共一百一十三页，2022年，8月28日4、碳氮共渗在钢的表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺称为碳氮共渗。氰化：碳氮共渗可以在气体介质中进行，也可在液体介质中进行．因为液体介质的主要成分是氰盐，故液体碳氮共渗又称为氰化。目的：对低碳结构钢、中碳结构钢以及不锈钢等，为了提高其表面硬度、耐磨性及疲劳强度，进行820—850℃碳氮共渗。中碳调质钢在570—600℃温度进行碳渗共渗，可提高其耐磨性及疲劳强度，高速钢在550—560℃碳氮共渗的目的是进一步提高其表面硬度、耐磨性及热稳定性．

第九十页，共一百一十三页，2022年，8月28日一、碳和氮同时在钢中扩散的特点1．共渗温度不同，共渗层中碳氮含量不同。氮含量随着共渗温度的提高而降低，而碳含量则起先增加，至一定温度后反而降低。渗剂增碳能力不同，达到最大碳含量的温度也不同。2．碳、氮共渗时碳氮元素相互对钢中溶解度及扩散深度有影响。由于N使g相区扩大，且Ac3点下降，因而能使钢在更低的温度增碳。氮渗入浓度过高，在表面形成碳氮化合物相，因而氮又障碍着碳的扩散。碳降低氮在、相中的扩散系数，所以碳减缓氮的扩散。

第九十一页，共一百一十三页，2022年，8月28日3．碳氮共渗过程中碳对氮的吸附有影响碳氮共渗过程可分成两个阶段：第一阶段共渗时间较短(1—3小时)，碳和氮在钢中的渗入情况相同；若延长共渗时间，出现第二阶段，此时碳继续渗入而氮不仅不从介质中吸收，反而使渗层表面部分氮原子进入到气体介质中去第九十二页，共一百一十三页，2022年，8月28日二：中温气体碳氮共渗1．中温气体碳氮共渗的优点与气体渗碳相比有如下优点：(1)可以在较低温度下及在同样时间内获得同样渗层深度，或在处理温度相同悄况下，共渗速度较快。(2)碳氮共渗在工件表面、炉壁和发热体上不析出碳黑；(3)处理后零件的耐磨性比渗碳的高；(4)工件扭曲变形小。第九十三页，共一百一十三页，2022年，8月28日2．共渗介质目前常用的有两大类：

(1）含2～10％氨气的渗碳气体(其余)(体积％)；2)含碳氮的有机液体。第九十四页，共一百一十三页，2022年，8月28日3．共渗温度及时间820—880℃4．碳氮共渗后的热处理碳氮共碳氮共渗比渗碳温度低，一般共渗后都采用直接淬火．因为氮的渗入，使过冷奥氏体稳定性提高，故可采用冷却能力较弱的淬火介质，但应考虑心部材料的淬透性。碳氮共渗后采用低温回火．

第九十五页，共一百一十三页，2022年，8月28日5．碳氮共渗层的组织与性能碳氮共渗层的组织取决于共渗层中碳、氮浓度，钢种及共渗温度。表面为马氏体基底上弥散分布的碳氮化合物，向里为马氏体加残余奥氏体，残余奥氏体量较多，马氏体为高碳马氏体；再往里残续奥氏体量减少，马氏体也逐渐由高碳马氏体过渡到低碳马氏体。

第九十六页，共一百一十三页，2022年，8月28日

碳氮共渗的特点1.兼有渗碳层和氮化层的优点和渗碳相比：比渗碳处理具有更高的耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳强度。和氮化相比：共渗层的深度要比氮化层深，表面脆性小，抗压强度较好。第九十七页，共一百一十三页，2022年，8月28日2、奥氏体相变温度降低碳、氮都是扩大奥氏体区的元素，碳、氮的渗入都能降低钢A1点和A3点，故共渗温度要比单独渗碳时低，使奥氏体晶粒不明显长大，保证了零件的心部强度，减少了零件的淬火变形。第九十八页，共一百一十三页，2022年，8月28日3.奥氏体的稳定性提高，C曲线右移。氮的渗入使渗层的淬透性提高。4.碳氮共渗的速度显著大于单独渗碳或氮化的速度，因而可缩短生产周期。第九十九页，共一百一十三页，2022年，8月28日三、氮碳共渗(软氮化)

氮碳共渗是指使工件表面同时渗入氮、碳原子，并以渗氮为主的表面化学热处理工艺，亦称软氮化。第一百页，共一百一十三页，2022年，8月28日

氮碳共渗层组织氮碳共渗处理后的组织与渗氮层组织大致相同。由表及里为：由Fe2∼3(C，N)为主、含有Fe4N的化合物层，由γ’相组成的扩散层和以含氮铁素体α(N)为主的过渡层。第一百零一页，共一百一十三页，2022年，8月28日

氮碳共渗的工艺参数

连续式作业炉一般采用吸热式气氛和氨气的混合气体积比1：1为最佳。在周期式作业炉中所采用的介质种类较多．我国常用的有尿素、甲酰胺、三乙醇胺，以及醇类加氨气等第一百零二页，共一百一十三页，2022年，8月28日

分解反应尿素：（氮势大于碳势，适合软氮化）(NH2)2CO→2[N]+CO+2H22CO→CO2+[C]甲酰胺：（氮势大于碳势，适合软氮化4HCONH2→2CO+4H2+2H2O+4[N]+2[C]三乙醇胺：（碳势大于氮势，不