软氮化的渗层除了表面的氮碳化合物层课件

钢的化学热处理第五章热处理工艺——

定义：将钢件放在具有一定活性的介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入钢件的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。基本过程：①分解：在一定温度下，介质通过化学分解，形成能渗入工件的活性原子；②吸收：工件表面吸收活性原子，并溶入工件材料晶格的间隙或与其中元素形成化合物；③扩散：被吸收的原子由表面逐渐向心部扩散，从而形成具有一定深度的渗层。

目的：①提高渗层硬度和耐磨性；②提高零件接触疲劳强度和提高抗擦伤能力；③提高零件抗氧化、耐高温性能；

常用种类：渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗一、化学热处理基本原理

1、化学热处理过程一般常把它看成由渗剂中的反应、渗剂中的扩散、渗剂与被渗金属表面的界面反应、被渗元素原子的扩散和相变等过程所构成。

例如相界面反应：

2NH3＝3H2十2[N]

产生活性氮原子，渗入钢件表面进行渗氮。渗金属时也可以类似反应表示。扩散是相界面反应产生的原子渗入金属表面后向钢件内部的迁移过程。

化学热处理过程有时可以只有扩散过程，例如用热浸法渗金属时，就是把工件浸在熔融的金属中，直接吸附金属原子并向内部扩散。

2、化学热处理渗剂

一般由含有欲渗元素的物质组成，有时还含有催渗剂,以便从渗剂中分解出含有被渗元素的活性物质。所谓渗剂的活性就是在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。例如固体渗碳时，除了炭粒以外，还尚须加碳酸钡和碳酸钠，这碳酸钡和碳酸钠就是催渗剂，碳酸钡和碳酸钠在渗碳前后没有变化，仅在渗碳过程中把炭粒变成活性物质CO。

3、化学反应分类

分解反应：

CH4=2H2+[C]气体渗碳

2NH3=3H2+2[N]气体渗氮

置换反应：

3MeClx+xFe→xFeCl3+3[Me]渗金属

还原反应：

2MeClx+xH2→xHCl+2[Me]渗金属在渗剂一定条件下，则影响渗剂活性的因素是温度和分解反应前后参与反应物质的浓度或分压。

4、化学热处理的吸附过程及其影响因素化学热处理时，相界面反应是和金属表面对渗剂的吸附过程紧密相关的。一般固体表面对气相的吸附分成两类，即物理吸附和化学吸附。

物理吸附：固体表面对气体分子的凝聚作用。大多为多分子层，吸附速度快，达到平衡也快。

化学吸附：固体晶格与活性原子之间结合力类似化学键力，有明显选择性。单分子层，需要一定的活化能，吸附速度随温度升高而增大。影响因素：温度、表面活性、表面粗糙度表层与心部的被渗元素的浓度差引起的。包括：纯扩散和反应扩散。

1）纯扩散

定义：渗入元素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。

C、N、B与Fe形成间隙固溶体；

Cr、Al、Si等形成置换固溶体。

5、扩散过程

（a）扩散控制型表面浓度很快达到界面反应平衡浓度，化学热处理过程主要取决于扩散过程。渗层深度与扩散时间的关系：这种扩散现象多数发生在化学热处理过程的初期，或发生在渗剂活性不足以使渗入元素在工件表面达到钢中饱和浓度的场合。扩散层深度与扩散时间之间符合抛物线定律。

（b）混合控制型表面被渗原子不能马上达到平衡浓度，渗层的增长速度取决于界面反应速度（被渗原子溶入表面的速度）和金属中该元素的扩散速度。

2）反应扩散当渗剂的活性高，渗入元素的浓度大于该温度下的饱和极限时，可能出现以下情况：

a）发生相变，由溶解度较低的固溶体转变为溶解度较高的固溶体；

b）由溶解度较低的固溶体转变为浓度更高的化合物。新相的长大速度不仅取决于渗入元素在新相中的扩散，而且取决于渗入元素在与其相邻的相中的扩散。

加速化学热处理过程的途径：

1）物理催渗法利用电场、磁场、辐射等，改变温度、气压的物理方法，或利用机械的弹塑性变形等方法来加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，加速扩散。●高温化学热处理；●高压或负压化学热处理；●高频化学热处理；●促进分解，提高活性，降低扩散激活能，提高扩散速度。

2）化学催化法1）物理催渗法2）化学催化法在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗剂的分解活化工件表面，提高被渗元素的渗入能力。●卤化物催化法（氟、氯等化合物）●提高渗剂活性的淬渗方法如加入BaCO3，Na2CO3。加速化学热处理过程的途径：二、钢的渗碳定义：将零件放在具有活性碳原子的介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺。

渗碳方法：固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳，渗碳新技术有真空渗碳和离子渗碳等。其中气体渗碳原料气资源丰富，工艺成熟，应用最广泛。

1、气体渗碳

气体渗碳介质：（1）碳氢化合物有机液体，如煤油、甲醇等；（2）气态介质，如液化石油气、天然气。渗碳介质滴入或通入高温（大于900℃）渗碳炉内，使其分解为活性的碳原子[C]，反应式如下：

2CO—CO2+[C]

CH4—2H2+[C]材料：20钢工艺情况：左图：900℃气体渗碳8h，坑冷；右图：又经840℃淬火浸蚀方法：4％硝酸酒精溶液浸蚀组织说明：左图：平衡态下，由表(图左)及里(图右)的组织形貌，珠光体(共析层)，珠光体和网状铁素体(亚共析过渡层)，铁素体和珠光体(心部)。其中共析层为0.95mm；亚共析层(过渡层)为0.95mm，总渗层为1.90mm。右图：渗碳淬火后表层组织，马氏体和少量残余奥氏体。由图可知，渗层表层的碳含量较低(无过共析层)，淬火温度不高，故马氏体细小，在高倍下才能分辨出针叶状。63×800×材料：20Cr工艺情况：930~C渗碳后缓冷浸蚀方法：4％硝酸酒精溶液浸蚀组织说明：高温渗碳缓慢冷却的正常组织分布形貌，最表面为过共析渗碳层，基体组织为细片状珠光体及均匀分布的白色颗粒状碳化物，含碳约0.9％，占0.15mm深。第二层为共析渗碳层，占0.6mm，基体为细片状珠光体，l00倍下灰黑色分布，这一层含碳量为0.77％左右，是渗碳层中主要的一层组织。第三层为亚共析渗碳过渡层，基体为珠光体及铁素体混合分布，而且铁素体随着深度的增加而增加，珠光体则逐渐减少，一直过渡到心部组织为止。过渡层占0.4mm。心部原始组织主要为白色铁素体及黑色珠光体，珠光体约占25％。气体渗碳工艺：

渗碳温度：一般为900-950℃，使钢完全奥氏体化，被工件表面吸附的活性碳原子溶入奥氏体，并由表及里进行扩散，获得一定厚度的渗层。

渗碳时间：可根据渗层深度要求确定，一般可按每小时完成0.1-0.15mm的渗层深度来估算。渗碳后一般表面碳质量分数达到0.85%-1.05%。

渗碳层深度：一般是从表面向内至碳质量分数规定处（一般为Wc=0.4%）的垂直距离，工件的渗碳层深度取决于工件的尺寸和工作条件，一般为0.5-2.5mm。

2、固体渗碳法

把渗碳工件装入有固体渗碳剂的密封箱内，在渗碳温度下加热渗碳。渗碳剂主要为固体炭粒和起催化作用的碳酸盐组成。渗碳温度为900～930℃。

Na2CO3=Na2O+CO2BaCO3=BaO+CO2CO2+C（炭粒）=2CO2CO=CO2+[C]渗碳件用钢：一般采用碳质量分数为0.1%-0.25%的低碳钢或低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi等。可使渗碳件表面高硬度、耐磨，心部高强韧性、承受较大冲击。渗碳后的热处理及性能：渗碳后必须经淬火+低温回火后，才能满足使用性能要求。经过热处理后使渗碳件表面具有马氏体和碳化物的组织，一般表面硬度58-64HRC。而心部根据采用钢材淬透性的大小和零件尺寸大小，获得低碳马氏体或其他非马氏体组织，心部具有良好的强韧性。渗碳工艺应用：主要应用于要求表面高硬度、高耐磨性而心部具有良好的塑性和韧性的零件，如汽车变速齿轮与机床齿轮、凸轮、轴、活塞销等。渗碳后的组织及常见缺陷：

1）渗碳后组织马氏体＋残奥＋碳化物→马氏体＋残奥→马氏体→心部组织

2）常见缺陷（1）黑色组织含铬、锰、硅等合金元素的渗碳钢，组织中出现沿晶界呈断续网状的黑色组织。介质中的氧向晶界扩散，形成氧化物。（2）反常组织先共析渗碳体周围出现铁素体。适当提高淬火温度或延长加热时间，使奥氏体均匀化，并快速冷却淬火。（3）粗大网状碳化物原因可能是渗碳剂活性较大，渗碳温度过高。（4）渗碳层深度不均匀（5）表层贫碳或脱碳（6）表面腐蚀和氧化

定义：渗氮是在一定温度下，于一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。方法主要有气体渗氮和离子渗氮等。

气体渗氮工艺：渗氮温度一般为500-560℃，时间一般为30-50小时，采用氨气(NH3)作渗氮介质。氨气在450℃以上温度时即发生分解，产生活性氮原子：

2NH3—3H2+2[N]三、钢的渗氮活性氮原子被工件表面吸附后：（1）首先形成氮在α-Fe中的固溶体；（2）当含氮量超过α-Fe的溶解度时，便形成氮化物（Fe4N、Fe2N）。氮还可与许多合金元素形成弥散的氮化物，如AlN、CrN、Mo2N等，这些合金氮化物具有高的硬度和耐磨性，同时具有高的耐腐蚀性。因此，含有Cr、Mo、Al等合金元素的钢是最常用的渗氮钢。

由于气体渗氮工艺周期很长，因此发展了快速渗氮方法，如辉光离子渗氮、卤化物催化渗氮、高频感应加热渗氮等。等离子渗氮原理利用稀薄气体的辉光放电现象加热工件表面和电离化学热处理介质，使之实现在金属表面渗入欲渗元素的工艺称为辉光放电离子化学热处理，简称离子化学热处理。因为在主要工作空间内是等离子体，故又称等离子化学热处理。在真空室内(133-1330Pa)，阴极(工件)与阳极(容器)之间通高压(400-1100V)电，可使通入真空室中的氨(或氮、氢混合气)电离，并在工件周围产生辉光放电。此时氮离子向工件(阴极)表面冲击，加热工件并在表面富集FeN，分解后渗入钢铁材料。离子轰击阴极表面的反应离子渗氮过程表面的反应：载能电子产生电离和中性氮原子：氮离子轰击工件表面，溅射铁及表面污物，加热和清洁活化表面的作用。溅射的铁原子与气相中性氮原子在邻近工件表面发生反应，生产FeNFeN在工件表面的沉积和分解。

1-油旋转泵；2-冷却水入口；3-气压测量；4-冷却水出口；

5-处理零件；6-供气；7-温度测量；8-电源；9-控制离子渗氮设备示意图钢的氮化组织

渗氮的特点：

（1）渗氮件的表面硬度高（相当于65HRC～72HRC）。并可保持到560～600℃而不降低；（2）氮化后钢件不需其他热处理，渗氮件的变形很小；

（3）渗氮后具有良好的耐腐蚀性能。这是由于渗氮后表面形成致密的氮化物薄膜；（4）气体渗氮所需时间很长，渗氮层也较薄（一般为0.3～0.6mm）。例如38CrMoAl钢制压缩机活塞杆为获得0.4～0.6mm的渗氮层深度，气体渗氮保温时间需60h左右。

应用：特别适宜要求表面耐磨的精密零件。例如磨床主轴、镗床镗杆、精密机床丝杠、内燃机曲轴以及各种精密齿轮和量具等。

渗氮工艺分类：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（防腐渗氮）。获得0.015～0.06mm厚的ε相。

渗碳与渗氮工艺比较

工艺温度/℃时间/h后续热处理表面硬度变形适用材料举例气体渗碳930～9503～9淬火+低温回火58～64HRC大20，20Cr,20CrMnTi气体渗氮500～60020～50不需要950～1200HV相当于65～72HRC小38CrMoAl常见渗氮缺陷：（1）变形挠曲变形，尺寸增大。渗氮前去应力处理。（2）脆性和渗氮层剥落由表层氮的浓度过大引起。（3）渗氮层硬度不足预备热处理脱碳，晶粒粗大。渗氮层脆性检验：根据维氏硬度压痕的完整程度来评定其脆性等级。分为四级：

1级不脆压痕完整；

2级较脆压痕边缘略有蹦碎；

3级脆压痕边缘蹦；

4级极脆严重蹦碎。四、钢的碳氮共渗

定义：碳氮共渗是在奥氏体状态下，同时将碳、氮渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。液体碳氮共渗：介质为氰盐，剧毒。气体碳氮共渗：常用。高温气体共渗（900～950℃），温度过高；中温气体共渗（700～880℃）；低温气体共渗（<570℃）气体软氮化。

中温气体碳氮共渗（渗碳为主）：优点：（1）同样条件下，共渗速度高于单独的渗碳、渗氮速度；（2）变形小；（3）零件表面硬度、耐磨性抗蚀性、疲劳强度较渗碳的高。但耐磨性和疲劳强度低于渗氮件。中温碳氮共渗多用于处理汽车及机床上的齿轮、凸轮、蜗杆、蜗轮和活塞销等零件。

NH3+CO→HCN+H2ONH3+CH4→HCN+3H2

2HCN→H2+2[C]+2[N]

共渗介质：含氨气的渗碳气及含碳氮的有机液体（滴注法）

共渗温度：共渗温度愈高，碳含量↑，氮含量↓，渗层厚度↑。共渗温度↓，减小变形，但形成高氮化合物，心部组织淬火后硬度低。

共渗后的热处理：淬火＋低温回火

共渗层组织：细针状马氏体＋碳、氮化合物＋残余奥氏体。含碳量过高，接近渗碳体性能，脆性增加；含碳量低，含氮量高，硬度降低，脆性也增加。

常见缺陷：表层残余奥氏体过多，碳氮浓度过高所致；黑色组织，气氛较难控制，易出现氢脆。

低温气体氮碳共渗（软氮化）：以渗氮为主的氮、碳共渗，温度一般低于570℃。与一般气体氮化相比，处理时间可大大缩短（1～3小时），另一个突出优点为软氮化表层硬面具有一定的韧性，不易剥落。渗层外表面由Fe2N、Fe4N和Fe3C组成，又称白亮层，往里为氮化物和含氮铁素体组成的扩散层，白亮层硬度较纯气体渗氮低，故脆性小。特点：加热温度低、处理时间短、钢件变形小，又不受钢种限制，所以主要用于处理各种工模具以及一些轴类零件。例如高速钢刀具经其处理后，寿命可提高20%～200%。3Cr2W8压铸模处理后寿命可提高3～5倍，中低碳钢处理后，疲劳强度可提高60%以上。

氮碳共渗的工艺参数：

(1)介质

：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；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。采用不同介质，共渗层中碳、氮含量则有所不同，将对共渗层性能有一定影响，应根据试验来确定。

(2)温度和时间：一般氮碳共渗温度为570℃，共渗后快冷可显著提高疲劳强度。温度过高，化合物层增厚，容易出现疏松，且高于共析温度后，渗层中出现相，快冷后出现马氏体，使变形增大；低于570℃，不仅速度慢，性能也差。保温时间根据层深要求而定，一般为l-6小时。

氮碳共渗的组织和性能

：

渗层组织表面一般为白亮层，又称化合物层，其主要为相，视碳、氮含量不同，尚有少量相和Fe3C。在化合物层以内则为扩散层，这一层组织和普通渗氮相同，主要是氮的扩散层。因此，扩散层的性能也和普通气体渗氮相同，若为具有氮化物形成元素的钢，则软氮化后可以显著提高硬度。

化合物层的性能与碳氮含量有很大关系。含碳量过高，虽然硬度较高，但接近于渗碳体性能，脆性增加；含碳量低，含氮量高，则趋向于纯氮相的性能，不仅硬度降低，脆性也反而提高。氮碳共渗后应该快冷，以获得过饱和的固溶体，造成表面残余压应力，可显著提高疲劳强度。氮碳共渗后，表面形成的化合物层也可显著提高抗腐蚀性能。

高温碳氮共渗又叫做氰化。由于温度比较高，碳原子扩散能力很强，所以以渗碳为主,形成含氮的高碳奥氏体，淬火后得到含氮高碳马氏体。由于氮的渗入促进碳的渗入,使共渗速度比渗碳快，保温4～6h可得到0.5～0.8mm的渗层，同时由于氮的渗入，提高了过冷奥氏体的稳定性，加上共渗温度比较低，奥氏体晶粒不会粗大，所以钢件碳氮共渗后可直接淬油，渗层组织为细针状的含氮马氏体加碳氮化合物和少量残余奥氏体。碳氮共渗层比渗碳层有更高的硬度、耐磨性、抗蚀性、弯曲强度和接触疲劳强度。但一般碳氮共渗层比渗碳层浅，所以一般用于承受载荷较轻，要求高耐磨性的零件。

低温氮碳共渗的温度较低，这时碳原子的扩散能力较弱，且铁素体溶碳能力很低,是以渗氮为主，形成氮碳化合物层。由于渗层硬度比渗氮层低，所以又称软氮化。由于碳的促进作用,软氮化的渗速比渗氮快得多。只要保温4～6h就可形成0.15～0.25mm的共渗层，大大缩短了共渗时间。软氮化的渗层除了表面的氮碳化合物层(白亮层),往里还有一定深度的扩散层，由氮化物和含氮铁素体组成，所以渗层硬度过渡较氮化层平缓，脆性较少。白亮层硬度虽比渗氮层稍低，但仍有较高的硬度、耐磨性和高的疲劳强度。低温氮碳共渗处理温度低、时间短、变形小，适用于碳钢、合金钢和一些模具的处理。五、渗金属渗金属的基本原理和其他化学热处理相似，由含有渗入元素的介质分解产生活性原子而被吸收到基体金属表面，由于扩散作用使渗入元素向零件内部迁移。

目的：将钢材表面合金化，使之具有所需要的特殊性能。

分类：根据所用渗剂聚集状态不同，可分固体法、液体法及气体法。

1、固体法渗金属最常用的是粉末包装法，把工件、粉末状的渗剂、催渗剂和烧结防止剂共同装箱、密封、加热扩散而得。优点：操作简单，无需特殊设备，小批生产应用较多，如渗铬、渗钒等。缺点：产量低，劳动条件差，渗层有时不均匀，质量不易控制等。例如固体渗铬：渗剂为铬铁粉+NH4Cl＋Al2O3；渗铬过程如下：当加热至1050℃时，氯化铵分解形成HCl，HCl与铬铁粉作用形成CrCl2，并分解出活性铬原子[Cr]渗入工件表面。与此同时，氯与氢结