热处理第9章 钢的化学热处理-48

1表面热处理化学热处理(改变表面化学成分)表面淬火(不改变表面化学成分)2第9章钢的化学热处理

3第9章钢的化学热处理9.1化学热处理的基本原理9.2化学热处理工艺4将工件放在特殊介质中，用加热扩散的方法使介质中一种或几种元素渗入基体金属一定深度的表层，改变其化学成分和组织并获得与心部不同性能的热处理工艺。第九章钢的化学热处理

上一页下一页9.1化学热处理的基本原理5

1.渗层形成条件

返回上一页下一页回主页渗剂元素与基体金属必须能形成固溶体或金属间化合物。渗剂元素能在界面被吸附。保持一定的温度，即保证一定的渗镀速度。生成活性原子的化学反应必须满足热力学条件。6返回上一页下一页回主页2.渗层形成的基本过程分解－加热时渗剂分解，释放出欲渗入元素的活性原子。吸收－分解出来的活性原子被金属表面吸收并溶解成为固溶体，超过溶解度时形成金属间化合物。扩散－溶入元素的活性原子在浓度梯度的作用下由表及里扩散，形成一定厚度的扩散层。7图9.1渗层形成的示意图上一页下一页83.化学热处理速度的影响因素

（1）受化学反应速度控制的阶段反应物浓度：增加渗剂中反应物的含量，可以加快它们的分解速度，使活性原子浓度增大，从而加速渗入的过程。温度：温度升高，渗剂分解速度加快，活性原子浓度增加，使渗入速度升高。活性剂：又称催化剂。如氮化时氨在无催化剂时的分解活化能为90千卡/克分子，而在有Fe、W、Ni催化剂参加时，其活化能降为40千卡/克分子，从而大大加速了渗剂的分解速度。9除化学热处理初始阶段的短暂时间外，大部分渗入过程都是受扩散控制的，其含义包括由渗剂活性原子向渗层内的扩散和基体金属原子通过渗层向外的扩散。（2）受扩散速度控制的阶段

9.2化学热处理工艺9.2.1钢的渗碳上一页下一页工艺－渗碳是将低碳钢零件在渗碳介质中加热到900～950℃，使碳原子渗入其表面层，获得高碳渗层，再进行淬火并低温回火。10图9.2渗碳层沿齿廓分布的渗碳齿轮上一页下一页11渗碳钢种—

20、l5Mn、20Cr、27SiMn、20CrMoTi等。特点－渗碳可使同一材料制作的机器零件兼有高碳钢和低碳钢的性能。性能－心部仍保持低碳、具有良好的塑性和韧性，表面获得很高的硬度、耐磨性以及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。应用－既能承受磨损和较高的表面接触应力，同时又能承受弯曲应力及冲击负荷作用的齿轮、凸轮、活塞、轴类等许多重要的机器零件。上一页下一页一、渗碳方法把工件埋入固体渗碳剂中，装箱密封，加热到渗碳温度保温，达到工件表面增碳目的的工艺过程。12图9.3固体渗碳装箱示意图1.固体渗碳法上一页下一页13固体渗碳剂－由一定颗粒度的木炭、催渗剂(即活化剂2％～5％BaCO3或Na2CO3)混合组成。木炭提供活性碳原子，碳酸盐起催化作用：C+O2→CO2BaCO3→BaO+CO2CO2+C→2CO2CO→CO2+[C]优点－固体渗碳不需专门设备、工艺简单，适宜单件或小批量生产。缺点－固体渗碳加热保温时间长达十几个小时，生产率低，劳动条件差，渗碳后不易直接淬火，渗碳层深度及质量不易控制。上一页下一页2.气体渗碳法将零件放入密封的高温炉罐中，向炉内滴入易分解的有机液体(如煤油、苯、甲醇等)，或直接通入渗碳气体(如煤气、石油液化气等)。使其热裂分解为活性碳原子并渗入零件表面的工艺方法。

图9.4气体渗碳装置示意图14上一页下一页15

炉内化学反应:2CO→CO2+[C]CO2+H2→H2O+[C]CnH2n→nH2+n[C]图9.5气体渗碳工艺

一般浅层渗碳约2～3h；常规渗碳5～8h；深层渗碳16～30h。16优点－生产效率高，渗层质量好，劳动强度低，便于直接淬火。缺点－渗剂直接滴入炉内进行渗碳时，由于热裂分解出的活性碳原子过多，不能全部为零件表面吸收而以碳黑、焦油等形式沉积于零件表面，阻碍渗碳过程，而且渗碳气氛的碳势也不易于控制。碳势－在给定温度下，钢件表面碳含量（奥氏体状态）与炉中气氛达到动平衡时的含碳量。碳势高低反映炉气渗碳能力的强弱。

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3.滴注式可控气氛渗碳

向高温炉中同时滴入两种有机液体，一种液体为甲醇，产生的碳势较低，作为稀释气体；另一种液体如醋酸乙酯或丙酮产生的气体碳势较高，作为富化气。通过改变两种液体的滴入比例，利用露点仪或红外分析仪控制碳势，使零件表面的含碳量控制在要求的范围内。

露点仪：控制H2O，因炉内气氛的露点与其含水量有对应关系；含水量越高，露点就越高。红外分析仪：控制CO2。上一页下一页4.渗碳层的成分和厚度18渗碳钢的成分－含碳量为0.1％～0.25％；添加合金元素Cr、Mn、Ni、Si、Mo、W、B等以保证淬透性，加入少量的Ti、V、Nb等以防止渗碳时的晶粒粗大。渗碳层成分－其表面含碳量可达到过共析钢的成分，由表及里碳浓度逐渐降低，直至钢的原始含碳量。渗碳后缓冷组织－

表层(过共析层)：P＋Fe3C(网状)中间(过渡区)：共析层→亚共析层P→P+F心部原始组织：F＋P

上一页下一页19图9.6低碳钢渗碳缓冷后的组织(a)上一页下一页20图9.6低碳钢渗碳缓冷后的组织上一页下一页21渗碳层的厚度－一般规定，从表面到过渡层一半处的厚度。随渗碳时间增加(2～30h)，厚度可达0.5～2mm。零件渗碳后，以表面含碳量为0.8～1.10％为最好；低于0.8％时，零件的耐磨性和强度不足；高于1.10％时，渗层淬火后表面碳化物及残余奥氏体量增加而损害钢的性能。上一页下一页淬火预冷一次淬火预冷直接淬火预冷二次淬火+低温回火(150~190℃)5.渗碳后的热处理

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(1).预冷直接淬火+低温回火(钢心部冷至Ac3~Ar3，表层略低于Accm

)淬火前：表层组织：Fe3C+A心部组织：A淬火后：表层组织：Fe3C+M+Ar心部组织：M（低碳）23低温回火后表层组织－Fe3C+M回火+Ar(少量)→高硬度和高耐磨性

心部组织－M回火→较高的强韧性图9.820CrMnTi钢渗碳淬火的金相组织920℃x3.5h200x预冷直接淬火法：适用于本质细晶粒钢或性能要求较低的零件。

(2).预冷一次淬火+低温回火24要求心部有较高强韧性的零件，淬火温度应选择

对心部高于Ac3，对表层略高于Accm。淬火前：

表层组织：A心部组织：A淬火后：

表层组织：M（高碳）＋Ar心部组织：M（低碳）上一页下一页空冷25低温回火后表层组织－M回火+Ar(少量)心部组织－M回火要求表层有较高耐磨性的工件，淬火温度应选在Ac1~Ac3(Ac1~Accm)之间。淬火前：

表层组织：A+Fe3C心部组织：A+F淬火后：

表层组织：M(高碳)+Fe3C(颗粒状)＋Ar心部组织：M(低碳)+F

低温回火后

表层组织：M回火＋Fe3C(颗粒状)＋Ar(少量)心部组织：M回火＋F上一页下一页9.2.2钢的氮化26定义：在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。目的：提高工件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。返回上一页下一页回主页27渗氮原理：NH3550℃分解活性[N]表面形成固溶体或氮化物达到一定渗层厚度(0.40~0.60mm)40~70h返回上一页下一页回主页一、气体氮化281.抗磨氮化－以提高工件表面硬度、耐磨性和疲劳

强度为主

典型钢种：38CrMoAlA、35CrMo、18CrNiW等

专用渗氮钢：wC=0.15%～0.45%的合金结构钢图9.938CrMoAl钢氮化工艺曲线

氮化工艺：29氮化钢在共析温度氮化时，当表面上的氮浓度达到α-Fe的饱和极限，将形成AlN、MoN、CrN等氮化物，当表面层的合金元素都形成了氮化物后，继续渗氮便会使α体心立方晶格转变成六方晶格的γ'或ε相。表层组织:合金氮化物+ε+(ε＋γ΄)+γ΄+(α+γ΄)心部组织：回火索氏体(氮化前进行调质处理)

氮化层的组织特征图9.10Fe-N相图30图9.11

38CrMoAl钢氮化层的显微组织

上一页下一页31抗磨氮化应用

耐磨性和精度要求较高的零件，或要求抗热、抗蚀的耐磨件。如发动机汽缸、精密机床丝杠、镗床主轴等。2.抗蚀氮化－以提高抗蚀性能为主

通常在600～700℃于纯氨中进行2～6小时渗氮，形成厚0.015～0.060mm、致密而稳定的ε相氮化层。对各种钢均可获得良好效果。可替代镀镍、镀锌、法兰等。上一页下一页32（1）渗层具有很高的硬度、热硬性和耐磨性。二、渗氮特点（2）渗氮温度低，工件变形小，精度高，氮化后可直接使用。（3）工件耐蚀性高。（5）渗层脆而薄0.3～0.5mm，不宜承受集中的重载荷。（4）工件的疲劳强度高。（6）氮化工艺复杂，周期长，成本高。上一页下一页339.2.2.2离子氮化34

将被处理的工件放在真空室内，然后充以稀薄的含氮气体（如氨）。接通高压直流电，使炉内气体放电，放电过程中氮和氢离子在高压电场的作用下，冲向工件表面，把工件加热到所需温度，同时氮离子或氮原子被工件表面吸附，并迅速向内扩散，形成氮化层。

离子氮化（与气体氮化相比）特点：氮化速度快、时间短。由于离子冲击的结果，在工件表面层0.05mm内产生密度极高的位错及点缺陷，使扩散加速，因而能缩短到气体氮化时间的2／3～1／3。35加热只在表面层，工件变形极小；化合物层薄，一般不超过25μm；离子轰击作用可以去除工件表面的氧化膜和钝化膜，使易氧化或钝化的金属（如不锈钢等）能进行有效渗氮。易于实现工艺过程的计算机控制。适于所有钢种的氮化。可节约电能和氨气的消耗，电能消耗为气体氮化的1／2～1／5，氨气消耗为气体氮化的1／5～1／20。劳动条件有所改善，不产生污染。36

(1)ε+扩散层，ε相耐磨和耐蚀性好，但脆性较大，主要用于耐磨耐蚀工件。(2)ε+γ’+扩散层；(3)γ’+扩散层,γ’相韧性较好，强度较高,主要用于承受较大动力载荷又要求耐磨的工作条件。

(4)只有扩散层，纯扩散层主要用于不能增加脆性的模具钢、耐磨合金等工件，用于不锈钢可使其耐蚀性降低的程度最小。易于调整工艺参数，获得不同渗层组织。37离子氮化缺点

设备复杂且投资大，准确测定零件温度困难，对于大型炉、各类零件混合装炉时难以保证各处工件温度一致。9.2.3碳氮共渗

气体碳氮共渗