第二章可控气氛热处理技术

1先进热处理制造技术第二章可控气氛热处理技术前沿

热处理生产技术重点发展的方向之一是可控气氛热处理。

在无氧化热处理技术的发展趋势中，首推可控气氛热处理。可控气氛热处理先进热处理技术的主要组成部分。

在目前少品种、大批量生产中，尤其是碳素钢和一般合金结构钢件的光亮淬火、退火、渗碳淬火、碳氮共渗淬火、气体氮碳共渗仍以可控气氛为主要手段。2主要内容制备气氛的气源设备可控气氛在热处理中的应用3制备气氛的气源最早的吸热式气氛发生炉主要用液化气，即纯度较高的丙烷或丁烷。

近年已证实，我国的天然气资源丰富，为用甲烷制备吸热式气氛创造了良好的条件。4设备能密封的炉型自动化程度高，生产柔性大，适用性强的多用炉生产线5可控气氛在热处理中的应用渗碳高温渗碳是渗碳技术发展趋势之一。碳氮共渗碳氮共渗温度比渗碳低，工件畸变小67渗碳热处理广泛应用于承受着高负荷、高磨损和高疲劳抗力的零件生产上，其中可控气氛渗碳在汽车、拖拉机、汽轮机、工程机械、大型矿山成套机械装置、船舶以及宇航等领域的齿轮生产上仍占着相当大的比例，并且正在采用计算机动态控制技术以实现重现性高和品质优良的部件生产上。§2.1渗碳技术初步8§2.1渗碳技术初步一渗碳的定义、目的及分类定义：钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子深入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺目的：使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和抗疲劳强度分类：根据所用渗剂在渗碳过程中聚集状态的不同，可分为固体渗碳法液体渗碳法气体渗碳法9二固体渗碳法定义：是把渗碳工件装入有固体渗碳剂的密封箱内，在渗碳温度区间加热渗碳。渗碳剂：一定大小的固体炭粒和催渗剂（e.g.碳酸盐）

渗碳反应：

Na2CO3→Na2O+CO2orC+O2→CO2

C

+CO2→2CO2CO→CO2+[C]（活性碳原子）

特点：设备便宜，工艺简单，历史较长适合多种少量生产热源多样，过程不可控，不适于连续大批量生产10三液体渗碳法定义：在能析出活性碳原子的盐浴中进行的渗碳工艺。渗碳剂：氰化盐（以700℃为界，上以渗碳为主，下以渗氮为主）渗碳反应：

NaCN+O2→NaCNOorNaCN+CO2→NaCNO+CONaCNO→NaCO3+CO+N

特点：加热迅速均匀，可直接淬火渗碳层薄且均匀，适于小件中量生产渗剂毒性大，处理后表面附着盐不易清理渗剂易劣化，遇水强烈反应，渗剂组成易变动11四气体渗碳法定义：工件在气体介质中进行的渗碳工艺渗剂：碳氢化合物有机液体（e.g.煤油丙酮）渗碳气氛（预生成和直生式）渗碳反应：

CO→[C]+CO2H2+CO→[C]+H2OCH4→[C]+H2C2H6→[C]+CH4+H2C3H8→[C]+C2H6+H2

特点：适于大量生产，易实现自动化可调节表面碳浓度（Control）设备昂贵，投资大五、国外渗碳工艺的新进展近二十多年来，国外的渗碳工艺已形成具有明显特色的一些先进工艺技术，主要体现在高温渗碳、深层渗碳、高浓度渗碳、真空渗碳淬火、不锈钢的低温渗碳等12高温渗碳

高于常规气体渗碳温度930℃的渗碳称为高温渗碳。由计算知，将温度由930℃提高至1050℃达到相同的渗层深度大约可缩短渗碳时间2／3以上。显然，采用高温渗碳，节能和缩短工艺周期的效果是显著的。美国的热处理技术路线图将之作为重点推广项目之一。1314AlSIlOl8钢(相当于我国钢号20)，在一定条件下于不同渗碳温度下的实测深度和表层含碳量变化数据表明，高温渗碳速度提高了。2.钢件的深层渗碳机械零件常规渗碳层深度为0.8～1.2mm，加机械零件的冷加工裕量，相应深度为1.3—1.7mm。这样，渗碳深度大于1.8mm零件的渗碳应属于深层渗碳范围。15

深层渗碳对大模数重载齿轮的生产十分适用，许多工业发达国家，如瑞士、德国和日本都采用渗碳淬火和磨齿工艺技术。其中，瑞士马格公司的技术享有世界盛名，处于领先地位。163.高浓度渗碳常规渗碳件表面的含碳量一般为0.8％～1.0％范围。为此，要求将渗碳工件表面含碳量超过此范围的化学热处理操作称为高浓度渗碳，或称作为“过剩渗碳”或“高饱和渗碳”。高浓度渗碳适用于含一定量Cr或Mo或Ni、Cr、Mo的合金钢。应用于4118、5120、8620、8720、8822和9310等钢。52100(GCrl5或100Cr6)钢也可进行这种处理。17日本学者S．Nakamura等，I．Machida等和T．Moritov等分别在2002、2008和2010年在美国申请高浓度渗碳专利(US2002／0050307A1，US2008／0156399A1和US2010／0126632A1)，都能获得在常规渗碳淬火的马氏体基体上分布着细小弥散的碳化物粒状。184.钢件真空渗碳淬火真空渗碳也称低压渗碳，是一种非平衡的强渗一扩散型(non-equilibriumboost-diffusion-type)渗碳过程。其一般过程描述为在具有一定分压的碳氢气氛的粗真空的奥氏体化条件下进行渗碳和在粗真空条件下进行扩散，在达到技术条件要求后于油中或高压气淬条件下冷却的一个过程。1920日本Inata采用乙炔真空渗碳处理后的汽车部件：图a是高浓度渗碳工艺曲线，图b是工件装炉料筐，图c是SNCM220高浓度渗碳后的组织(对应的有效硬化层深为1.20mm)可以看出在常规渗碳层上沉淀析出细小球状的碳化物，从而改善部件耐磨性和疲劳强度。21。SUS304不锈钢1050℃渗碳后的组织及硬度梯度曲线和汽车部件的装料。5.不锈钢的低温和渗碳奥氏体不锈钢具有优良的耐蚀性、高的韧性、无磁性和一定的生物相容性，被广泛应用于机械工业、化学工业、食品加工业、制药、生物和核工业领域，然而其硬度低、抗磨损性能差，因而应用受到限制。

后来又发现，奥氏体不锈钢经低温渗碳也可获得具有高硬度、高耐磨性和优良耐蚀性的表面渗层。渗碳温度低于550℃，碳扩散进入材料表面，也不出现Cr的碳化物沉淀。22

2006年美国Swagelok公司报导了低温非常超饱和处理工艺，并在奥氏体不锈钢以外的含Cr沉淀硬化不锈钢，双相合金，镍基合金和Co基合金上应用。为此赢得2006年工程材料成就奖。2324日本AirWater公司316钢在470℃20h渗碳25发展历史

20世纪30年代开始工业应用（仅炉温和时间可控）

吸热式气氛发生装置的开发（碳势控制）滴注式可控气氛的出现

氧浓差电池+红外分析仪PLC+计算机

§2.2可控气氛热处理的概述26滴注式可控气氛工艺过程：一般采用两种有机液体同时滴入炉内，一种液体产生的气体碳势较低，作为稀释气体，另一种液体产生的气体碳势较高，作为富化气。改变两种液体的滴入比例，可控制零件的表面含碳量。

27吸热式可控气氛工艺过程：在发生器中，把天然气、液化石油气等气体与一定比例的空气混合，再通过加热到高温（1000℃以上）加入催化剂，使混合气体的未燃部分（当空气量较少时，混合气体先部分燃烧）热裂解（吸热反应）而制得。

放热式可控气氛工艺过程：在发生器中,把天然气、液化石油气等气体燃料或酒精、柴油等液体燃料与较多的空气混合，使它接近于完全燃烧(放热反应)，再对燃烧产物进行初步净化(除水)或高度净化(除水、二氧化碳和一氧化碳)而制得的气体。28一概述早期：出现时间早、完全凭经验处理、仅能控制炉温和时间转折：碳活度公式在不平衡气氛中的扩展应用氧势：采用氧探头测定（Pt对CH4分解的强催化作用）CO：随渗碳温度和时间改变，采用红外分析仪分析应用依据：渗碳试验

§2.3直生式渗碳技术29二直生式气氛

1.燃料种类：气体或液体常见的有天然气、丙烷、丙酮、异丙醇2.气体组成：主要组分为CO,H2和CH4直生式气氛的组成与燃料种类、燃料与空气的比例以及炉内温度等有关。气氛中含有较高的CH4，气氛组成（尤其是CH4含量）受温度影响较大。自然气/空气类型的直生式气氛由于过高的CH4含量，在850℃以下已无法获得实际应用。

30三、优势a.碳传递系数（β）高：相同碳势条件下，直生气氛可使工件表面获得较高的碳浓度，加大工件表层的浓度梯度，增加渗速和渗层厚度。b.碳可用量高含有高浓度的CH4，保证渗碳的均匀性，尤其有利于零件外形复杂、装载密度较大、气氛循环状况较差的条件31c、控制方式简单迅速高效：

采用调节空气流量来控制碳势，比调节燃料流量具有更好的碳势控制效果，一方面是气氛成分变化对空气流量比较敏感；另一方面是调节燃料流量时，产生炭黑的危险较大。

d、调节时间较短

不需要添置发生器，不存在发生器启动和调节时间的影响。天然气是气体，在裂化过程中很多气源还需经过气化这个阶段。在这个气化阶段时，就可以因为局部差异，而产生碳黑。天然气主要成份甲烷，分子链最简单，更容易裂化，其它气源（除煤气）分链长，不易裂化。天然气直生式渗碳仅少需氧的参与，其裂解中变生的活性碳（CH4→Cad+H2）就能直接渗碳，有些气源本身就有氧，或者分子链太长要裂解必需较多氧的参与。

32四、注意问题1.内氧化问题（合金元素Cr、Mn、Si在渗碳亚表层的局部氧化）渗碳气氛中的CO分解为[C]和O，两种原子在钢内扩散，发生渗碳反应和局部氧化反应。局部氧化反应随CO浓度变化而发生变化控制气氛中的CO浓度2.气氛制备液体原料入炉前需先经过炉顶蒸发器控制空气流量来控制碳势3.对加热设备的要求加热能力（甲烷和丙烷与空气反应为吸热）气体循环能力

33直生式渗碳气氛中CH4存在的影响有哪些？

34一工艺简介炉膛在低真空至正压大范围变压加热，以中性气体迅速置换炉膛中的空气、水分等氧化物质，而后充以工艺规定的渗剂，使工件在设定的气氛中加热。二工艺原理无含氧气体，不可进行碳势控制

1.质量传输：碳质量流的密度mc：单位表面积和单位时间内进入材料的碳量

2.碳扩散：温度决定§2.4低压渗碳技术（LPC）

35三工艺特点

a、实现少无氧化加热，能耗低加热过程的低真空变压，可借助中性气体迅速排除炉膛中的空气，而后再以少量的有机液体或液化气消除炉膛中残余氧和水蒸气，实现工件的少无氧化加热。辅料消耗比常规的可控气氛炉(或保护气氛炉)减少50%以上。

b、渗剂传递迅速，覆盖面广，渗层均匀

借助低真空变压及渗剂可定向活动特性，在迅速排除工件四周的老化气氛的同时，新鲜渗剂可立即迅速扩散到炉膛各处，工件上的小孔、盲孔孔壁及压紧面均可得到满足的渗层，从而实现工件密装生产。§2.4低压渗碳技术（LPC）

36c、高效迅速，工艺周期短

可将单一元素的炉气迅速改变为两类元素的多元素共渗气氛，并在质量上和数目上予以精控(质量上控制就是控制炉气各成分的百分比，数目上控制就是控制炉气的总压力)。几种元素同时渗透的互相促进作用，渗速加快，工艺周期明显缩短。

因炉压适当提高可缩短渗氮和渗碳时间，低真空变压设备可随时迅速把炉压调至渗速最高的范围，从而缩短工艺周期。

d、可将渗碳与气淬结合改善零件变形行为，减少间歇处理时间，降低气体和能量的消耗，同时防止炭黑的产生。

37四具体工艺——真空低压乙炔渗碳

产生背景：以丙烷为渗剂时，当温度高于600℃，丙烷易分解为C,H2和CH4，可致零件表面产生炭黑，在炉子内腔和泵管产生焦油工艺特点：高温渗碳能力强,低压下不产生焦油和炭黑温度T=900-1000℃压力P≤2×103Pa38一关于渗碳钢

1.低碳：含碳量一般为0.1-0.25%，以保证心部有足够的塑性和韧性，碳高则心部韧性下降。2.合金元素：主加元素为Cr、Mn、Ni、B等，它们的主要作用是提高钢的淬透性，从而提高心部的强度和韧性辅加元素为W、Mo、V、Ti等强碳化物形成元素，这些元素通过形成稳定的碳化物阻止A晶粒长大进而细化A晶粒，同时还能提高渗碳层的耐磨性。

§2.5高温渗碳技术

39二高温渗碳的产生背景成本高渗碳淬火工艺的局限性能耗高时间长目前的渗碳工艺组成：渗碳过程+直接淬火渗碳淬火的经济性取决于加热工件的能耗。其中主要的影响因素为渗碳时间。形成渗碳层所需时间取决于碳在工件内的扩散速度。

扩散取决于温度和浓度梯度40提高渗碳温度可以缩短处理时间。

1.对渗碳钢进行奥氏体化退火处理，可以测出其最佳的渗碳温度和渗碳时间，即能保证细晶粒稳定组织的渗碳温度和时间。

2.添加适当的化学成分，提高钢的A3温度。41三高温渗碳的技术要点

1.奥氏体化温度和保温时间影响晶粒的长大。

提高奥氏体化温度和延长保温时间，促进粗晶粒的形成；低温奥氏体化过程中，保温时间增加，晶粒开始长大；

F、G、H、I钢的奥氏体化温度由于合金元素的存在，可以提高到1000℃而不发生晶粒长大。

2.渗碳剂碳势的高低会影响表面渗碳层的硬度。高碳势渗碳剂导致残余奥氏体含量增加，表层出现过量渗碳，硬度沿趋近表面的方向逐渐下降。低碳势渗碳剂中渗碳后，硬度未出现沿趋近表面的方向下降的现象。高碳势渗碳剂的渗碳效果也取决于合成成分。42§2可控气氛热处理技术——渗碳一渗碳知识初步

1.定义：钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子深入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺

2.目的：使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和抗疲劳强度

3.分类：根据所用渗剂在渗碳过程中聚集状态的不同，可分为固体渗碳法液体渗碳法(700℃)气体渗碳法

4.过程：分解——吸收——扩散

[C]43二可控气氛热处理技术碳活度（碳势）方程的建立1.产生基础：氧浓差电池+红外分析仪

2.生产现状:气体渗碳气氛的多样化滴注式气氛

吸热式气氛

放热式气氛

直生式气氛44滴注式可控气氛工艺过程：一般采用两种有机液体同时滴入炉内，一种液体产生的气体碳势较低，作为稀释气体，另一种液体产生的气体碳势较高，作为富化气。改变两种液体的滴入比例，可控制零件的表面含碳量。45吸热式可控气氛工艺过程：在发生器中，把天然气、液化石油气等气体与一定比例的空气混合，再通过加热到高温（1000℃以上）加入催化剂，使混合气体的未燃部分（当空气量较少时，混合气体先部分燃烧）热裂解（吸热反应）而制得。

46放热式可控气氛工艺过程：在发生器中,把天然气、液化石油气等气体燃料或酒精、柴油等液体燃料与较多的空气混合，使它接近于完全燃烧(放热反应)，再对燃烧产物进行初步净化(除水)或高度净化(除水、二氧化碳和一氧化碳)而制得的气体。47

1.产生背景：碳活度公式在不平衡气氛中的扩展应用

2.燃料种类：气体或液体（天然气、丙烷、丙酮、异丙醇）3.气氛组成：主要为CO,H2和CH4气氛组成不稳定，受炉温及气体种类影响三直生式渗碳技术484.优势

a、碳传递系数（β）高：

相同碳势气氛下，可使工件表面获得较高的碳浓度，并使表层获得较高的碳浓度梯度，从而使渗碳速度增加，渗层深度提高。

b、碳可用量高：

保证渗碳均匀性，尤其是对零件形状比较复杂和工件装载密度较大、气氛的循环状况较差的情况下49c、控制方式简单迅速高效：

采用调节空气流量来控制碳势，比调节燃料流量具有更好的碳势控制效果，一方面是气氛成分变化对空气流量比较敏感；另一方面是调节燃料流量时，产生炭黑的危险较大。

d、调节时间较短

不需要添置发生器，不存在发生器启动和调节时间的影响。天然气是气体，在裂化过程中很多气源还需经过气化这个阶段。在这个气化阶段时，就可以因为局部差异，而产生碳黑。天然气主要成份甲烷，分子链最简单，更容易裂化，其它气源（除煤气）分链长，不易裂化。天然气直生式渗碳仅少需氧的参与，其裂解中变生的活性碳（CH4→Cad+H2）就能直接渗碳，有些气源本身就有氧，或者分子链太长要裂解必需较多氧的参与。

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1.工艺过程：

炉膛在低