1、 主要内容主要内容 11.1 11.1 概述概述 11.2 11.2 化学热处理的原理及过程化学热处理的原理及过程 11.3 11.3 钢的渗碳钢的渗碳 11.4 11.4 钢的渗氮钢的渗氮 11.511.5 钢的碳氮共渗钢的碳氮共渗 11.6 11.6 渗硼及金属渗硼及金属 11.7 11.7 辉光放电离子化学热处理辉光放电离子化学热处理 1.1.概念概念将金属或合金工件放在特定的活性介质中加热到一定温度，使工件表面与周围介质相互作用，一种或几种化学元素的原子或离子扩散并渗入工件的表层，使其表面的化学成分发生改变，并配以不同的后续热处理，改变其金相组织与性能的一种热处理工艺。简单说是向钢的表
2、面渗入某种元素的热处理工艺。注意：化学热处理既改变表面的化学成分，又改变其组织。化学热处理后渗层与基体金属之间无明显的分界面，由表面向内部其成分、组织与性能是连续过渡的。11.1 11.1 概述概述 其表面和心部具有不同的化学成分、组织、性能，从其表面和心部具有不同的化学成分、组织、性能，从而获得单一材料难以获得的性能。而获得单一材料难以获得的性能。 1）提高材料的表面硬度和耐磨性）提高材料的表面硬度和耐磨性。碳钢渗。碳钢渗C或或C、N共共渗渗（淬火）获得表面高硬度、耐磨性，心部保持良好（淬火）获得表面高硬度、耐磨性，心部保持良好的塑韧性。的塑韧性。 2）提高材料抗交变载荷的疲劳强度）提高材料
3、抗交变载荷的疲劳强度。渗氮（软。渗氮（软N化或化或离子渗离子渗N）表面形成压应力层，抗疲劳性能大幅提高。表面形成压应力层，抗疲劳性能大幅提高。 3）增强材料的耐蚀性和耐热性能）增强材料的耐蚀性和耐热性能。渗。渗Al提高工件表提高工件表面抗氧化、抗腐蚀的能力。面抗氧化、抗腐蚀的能力。2.2.目的目的以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。1 1）渗入非金属元素：）渗入非金属元素： 单元渗：单元渗：C C、N N、B B、O O、S S、SiSi等；等； 多元渗：多元渗：C CN N、O ON N、O O C CN N2 2）渗入金属元素：）渗入金属元素： 单元渗：单元
4、渗：AlAl、CrCr、TiTi、NbNb、V V、ZnZn 多元渗：多元渗：AlAlSiSi、AlAlCrCr、 AlAlV V、 AlAlCrCrSiSi3.3.分类分类3）渗入元素对表面性能作用分类：）渗入元素对表面性能作用分类：提高渗层强度及耐磨性提高渗层强度及耐磨性渗渗C、N、B、Nb、V等。等。高抗氧化、耐高温高抗氧化、耐高温Al、Cr。提高抗啮合、抗擦伤提高抗啮合、抗擦伤渗渗S、N、磷化等。、磷化等。提高抗腐性能提高抗腐性能渗渗N、渗、渗Si、渗、渗Zn。 4）介质的物理状态分：）介质的物理状态分：固体固体如固体渗如固体渗C、固体渗、固体渗B等。等。液体液体如盐溶炉渗如盐溶炉渗B
5、或或B、C、N共渗等，渗共渗等，渗Al等金属等金属 气体气体气体渗气体渗C和和C、N共渗。共渗。4.4.特点特点1）不受工件几）不受工件几何形状的限制何形状的限制任何几何形状复杂的工件任何几何形状复杂的工件经过化学热处理后，均可经过化学热处理后，均可获得沿其轮廓分布的均一获得沿其轮廓分布的均一的表面化学热处理层。的表面化学热处理层。 2）具有较好的工艺性）具有较好的工艺性如开裂倾向较小；处理温如开裂倾向较小；处理温度范围较宽；对冷却介质度范围较宽；对冷却介质的敏感性较小等。的敏感性较小等。3）经济效果好）经济效果好4）能获得具有特殊性能的表面层）能获得具有特殊性能的表面层廉价的钢材经化学热处理
6、后可廉价的钢材经化学热处理后可获得表面性能高的工获得表面性能高的工 件。经化件。经化学热处理的碳钢件的表层性能学热处理的碳钢件的表层性能不亚于同类合金钢的性能。不亚于同类合金钢的性能。 如耐腐蚀性、耐磨性等如耐腐蚀性、耐磨性等 11.2 11.2 基本原理及过程基本原理及过程一、化学热处理的基本过程一、化学热处理的基本过程基本过程基本过程 大致分为三个阶段：大致分为三个阶段：1.分解阶段分解阶段：渗剂中的化学反应分解出渗入元素的活渗剂中的化学反应分解出渗入元素的活 性原子。性原子。2.吸收阶段：活性原子被金属表面吸收吸收阶段：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
7、后扩散阶段：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。从工件表面向内部扩散。1 1、渗剂分解、渗剂分解l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。l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。如如920-930920-930，含碳或含氮介质的分解：，含碳或含氮介质的分解： 2CO CO 2CO CO2 2 + C + C CH CH4 4 2H 2H2 2 + C + C 2NH 2NH3 33H3H2 2 + 2N + 2N化学热处理时渗剂分解出被渗元素活性原子的反应有：化学热处理时渗剂分解出被渗元素活性原子的
8、反应有：1）置换反应：渗金属时，2）还原反应：如渗金属时，3）氧化反应：如渗碳时， 4）分解反应：如普通气体渗碳、渗氮时，中FeCHCH234MeFeClFeMeClx3MeHClHMeClx2COCCO22渗剂的反应类型：渗剂的反应类型：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2232COONaCONa23COBaOBaCOCOCCO2222CCOCO界面反应：渗剂的性能：渗剂的性能：1）经物理化学反应后，应能够持久的产生足够数量能使被渗金属吸收的活性原子或活性物质。2）成分应稳定，能长期有效的提高活性原子，具有可控性和可调节性。3）
9、良好的安全性、无害性，成本低廉，使用方便。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。吸附是物质在相界面上自动聚集的过程。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
10、中心往往出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。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形成固溶吸收过程就是活性原子由钢的表面进入晶格形成固溶体的过程。体的过程。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。入提供了方便的通道。FeCFeC 吸附吸附 FeCFeC溶溶 3FeC3FeC吸附吸附 FeFe3 3C C溶解溶解化合化合 扩散指金属表面溶入被渗元素后，该元素浓度增加，形成浓度梯度，发生迁移现象。在一定的温度下，原子沿着浓度梯度下降的方向作定向扩散，形成一定厚度的扩散层。
11、纯扩散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 在化学热处理中，渗入元素原子在金属中形成的固在化学热处理中，渗入元素原子在金属中形成的固溶体有两种：溶体有两种：当渗入元素为原子半径较小的非金属元素（当渗入元素为原子半径较小的非金属元素（C、N、B)时，时，其与金属形成其与金属形成间隙固溶体间隙固溶体；当渗入元素是金属元素时，其与原金属形成当渗入元素是金属元素时，其与原金属形成置换固
12、溶体置换固溶体（铝、铬、硅、锌等）。（铝、铬、硅、锌等）。 渗层指在钢的表面渗入某种元素后，从表面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。向内保持该元素较高浓度的距离。（2）影响渗层深度的因素：）影响渗层深度的因素：20MnSi 930渗碳10h后硬度1 1）渗层深度与扩散时间的关系）渗层深度与扩散时间的关系说明渗层深度说明渗层深度与时间与时间 t t 呈抛物线呈抛物线关系关系；即延长化学热处理时间，相邻区域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随时间延长，扩散浓度的增加值也越来越少
13、（先快后慢）。越来越少（先快后慢）。12K2 2）扩散层的组织结构）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。扩散层形成规律（渗剂扩散层形成规律（渗剂B B向金属向金属A A扩散为例）扩散为例） T T1 1CmCmCminCminA AT/T/CmaxCmax1 12 23 34 4CmCmCminCminCmaxCmaxAnBmAnBm由表至里距离由表至里距离AnBmAnBmAnBmAnBm表面表面AAnBmAnBmAAnBmAnBmAAnBmAnBmT1温度下扩散层组织变化过程温度下扩散层组织变化过程化学热处理进行的条件化学热处理进行的条件
14、: : 渗入元素的原子必须是活性原子渗入元素的原子必须是活性原子, , 而且具有较大的扩而且具有较大的扩散能力散能力 零件本身具有吸收渗入原子的能力零件本身具有吸收渗入原子的能力, , 即对渗入原子有即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合一定的溶解度或能与之化合, , 形成化合物。形成化合物。分解、吸收、扩散三者的协调进行是确保化学热处理成分解、吸收、扩散三者的协调进行是确保化学热处理成功进行的关键。功进行的关键。1 1、化学催渗法、化学催渗法概念：概念： 是在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗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
15、，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。入能力。分类：分类：1)1)提高渗剂活性的催渗方法提高渗剂活性的催渗方法：如，固体渗碳时渗剂加入：如，固体渗碳时渗剂加入NaNa2 2COCO3 3，气体渗碳时加入苯或丙酮等。，气体渗碳时加入苯或丙酮等。二、加速化学热处理过程的途径二、加速化学热处理过程的途径2）卤化物催渗法）卤化物催渗法：如，气体氮化时，加入：如，气体氮化时，加入TiCl4或或NH4Cl，在氮化温度下分解出在氮化温度下分解出HCl或或Cl2，破坏工件表面的氧化膜，破坏工件表面的
16、氧化膜，活化表面，促进吸附，加速渗氮。活化表面，促进吸附，加速渗氮。3）稀土催渗）稀土催渗：渗剂中加入稀土或稀土卤化物，稀土原子的：渗剂中加入稀土或稀土卤化物，稀土原子的渗入能改变基体金属的的晶体结构和亚结构，其空位、位错渗入能改变基体金属的的晶体结构和亚结构，其空位、位错环、层错等晶体缺陷增加，增加扩散通道，加速扩散。环、层错等晶体缺陷增加，增加扩散通道，加速扩散。2、物理催渗法、物理催渗法l概念：是利用改变温度、气压，或利用特定的物理场（等概念：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，活化工离子场、真空、高频电磁场等），加速渗剂的分解，活化
17、工件表面，提高吸附和吸收能力，及加速渗入元素的扩散等，件表面，提高吸附和吸收能力，及加速渗入元素的扩散等，加速化学热处理的过程，提高渗速。加速化学热处理的过程，提高渗速。基本方法：基本方法：1)1)高温化学热处理：高温化学热处理：对化学热处理的各个环节均有促进作对化学热处理的各个环节均有促进作用，有效加速全过程。用，有效加速全过程。2)2)真空化学热处理：真空化学热处理：真空作用下工件表面净化，吸附能力真空作用下工件表面净化，吸附能力提高，浓度梯度增大，且可采用较高的温度，提高扩散提高，浓度梯度增大，且可采用较高的温度，提高扩散速度，加快渗速。速度，加快渗速。3)离子轰击化学热处理：离子轰击化
18、学热处理：在低于在低于1大气压的含有欲渗元素大气压的含有欲渗元素气相介质中，利用工件与阳极之间产生辉光放电的同时渗气相介质中，利用工件与阳极之间产生辉光放电的同时渗入欲渗元素原子的工艺。渗速快，质量好，无污染。入欲渗元素原子的工艺。渗速快，质量好，无污染。11.3 钢的渗碳概念：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。层的一种表面化学热处理工艺。基本思路：基本思路： 在在Fe-CFe-C相图中，相图中，-Fe-Fe中碳的最大溶解度中碳的最大溶解度0.02%0.02%，而，而 -FeFe中碳的最大溶解度达
19、到中碳的最大溶解度达到2.11%2.11%，相差，相差100100倍，希望在高温下倍，希望在高温下渗碳，低温淬火，以期获得最高强度和最大表面硬度。渗碳，低温淬火，以期获得最高强度和最大表面硬度。目的：目的： 提高零件的表面硬度、耐磨性；高的接触疲劳强度和弯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。曲疲劳强度；心部保持良好的塑性与韧性。分类：分类： 按渗碳介质状态不同，分为固体渗碳、液体渗碳、气体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。以气体渗碳应用最广泛。渗碳的材料渗碳的材料 含碳量为含碳量为0.10.10.
20、30.3的低碳钢或合金钢。的低碳钢或合金钢。 低淬透性、低强度低淬透性、低强度 1515、2020、2525 中等强度，淬透性中等强度，淬透性 20Cr20Cr、20Mn220Mn2、20MnV20MnV 高强度，淬透性高强度，淬透性 20CrMnTi20CrMnTi、 20CrMnMo等。等。 超高强度超高强度 20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA 二、 渗碳原理1.渗碳反应与过程渗碳反应与过程 1）渗碳反应：最主要的渗碳组分为）渗碳反应：最主要的渗碳组分为CO和和CH4，在工件表，在工件表面通过反应生成活性碳原子面通过反应生成活性碳原子C. 22COCCO 221OCCO OHCHCO
21、22 242HCCH2）渗碳过程：渗剂中形成）渗碳过程：渗剂中形成CO和和CH4等组分；等组分； CO和和CH4等组分在工件表面吸附、反应，产生活性碳原子渗入表面，等组分在工件表面吸附、反应，产生活性碳原子渗入表面，副产物副产物CO2和和H2O离开表面；渗入离开表面；渗入C原子向内扩散形成一原子向内扩散形成一定碳浓度梯度的渗碳层。定碳浓度梯度的渗碳层。3）渗碳过程的主要参数）渗碳过程的主要参数碳势碳势Cp：指渗碳气氛在一定温度下与钢件表面达到动态平衡时钢表面的碳含量，碳势高低反映了渗碳能力的强弱。Cp渗碳能力渗碳能力 表面表面C%、渗层、渗层但是当但是当Cp 太高太高 炭黑炭黑 渗速渗速工件工
22、件Cp气氛气氛Cp，脱碳，脱碳碳活度碳活度ac：相同温度下，钢奥氏体中C的饱和蒸汽压与以石墨为标准态的C的饱和蒸汽压之比。其物理意义为A中C的有效浓度，其大小与A中C含量有关。 fc活度系数，与渗碳温度、合金元素种类及含量有关)%(/0cwfppacccc碳传递系数碳传递系数：表征渗碳界面反应速度的常数，也称C的传输系数（cm/s）： J/碳通量，g/(cm2s)物理意义：单位时间内气氛传递到工件表面单位面积的碳量（碳通量）与气氛碳势和工件表面碳含量之间差值（Cp-Cs）之比，与渗碳温度、渗碳介质、渗碳气氛等有关。碳的扩散系数D：与渗碳温度、A中碳浓度和合金元素种类及含量有关，其中渗碳温度影响
23、最大。D=0.162exp(-16575/T)/(/spCCJ2.影响渗碳速度的因素影响渗碳速度的因素 渗碳深度渗碳深度d可近似计算：可近似计算：1）渗碳温度的影响）渗碳温度的影响Dtkd渗碳温度升高，扩散系数增渗碳温度升高，扩散系数增大，渗速加快，但温度过高会大，渗速加快，但温度过高会造成晶粒长大。造成晶粒长大。表面浓度愈高，相同扩散时表面浓度愈高，相同扩散时间条件下，渗层深度愈深。间条件下，渗层深度愈深。2 2）渗碳时间的影响）渗碳时间的影响渗层深度随时间的延长而增大，对于浅层渗碳，渗碳渗层深度随时间的延长而增大，对于浅层渗碳，渗碳时间短不利于控制渗层深度。时间短不利于控制渗层深度。3 3
24、）碳势的影响）碳势的影响渗碳介质的碳势越高，渗碳速度越快，但渗层碳浓度渗碳介质的碳势越高，渗碳速度越快，但渗层碳浓度的梯度增大，碳势过高还会在工件表面积碳。的梯度增大，碳势过高还会在工件表面积碳。3.3.气体渗碳中碳势的测量与控制气体渗碳中碳势的测量与控制 露点仪（氯点仪）露点：气氛中水蒸汽开始凝结成露的温度，气氛中水蒸汽% 露点 Cp 原理：LiCl盐感湿元件吸水导电性 控制系统通电水蒸发 CO2红外仪 原理：CO2选择性吸收4.3m红外线红外线强度 调节装置控制 氧探头原理：O2 CO2 、H2O CpZrO氧敏陶瓷管内、外氧%不同（内为参比气、外为炉气） 氧浓差电势调控 称重法：精密天平
25、测量渗碳前、后的重量变化碳势的控制：一定工艺条件下，采用双参数（CO-O2、CO2-CO等）控制碳势可获得较好结果，当炉气成分基本不变时，可采用单参数控制碳势。分析对象反应时间精度露点仪H2O34min1.5%红外仪CO、CO2、CH415s1%氧探头O20.52s1%1. 1. 固体渗碳法固体渗碳法固体渗碳过程主要由下列步骤组成：固体渗碳过程主要由下列步骤组成：在灼热的固体碳表面上，在灼热的固体碳表面上，CO2与碳反应生成与碳反应生成CO；在金属工件表面，在金属工件表面，CO分解析出活性碳原子；分解析出活性碳原子；活性碳原子被工件表面吸收，并向内部扩散。活性碳原子被工件表面吸收，并向内部扩散
26、。三、渗碳方法1）固体渗碳剂）固体渗碳剂固体渗碳剂主要由固体渗碳剂主要由供碳剂、催化剂供碳剂、催化剂组成。组成。供碳剂一般为供碳剂一般为木炭、焦炭木炭、焦炭；催化剂一般是催化剂一般是碳酸盐碳酸盐。木炭与渗碳箱内的氧气发生反应：木炭与渗碳箱内的氧气发生反应： C+OC+O2 2COCO2 2, CO, CO2 2+C2CO+C2CO 2COCO 2COCO2 2+C+C催化剂的反应为：催化剂的反应为： BaCOBaCO3 3BaO+COBaO+CO2 2, CO, CO2 2+C2CO+C2CO Na Na2 2COCO3 3NaNa2 2O+COO+CO2 2, CO, CO2 2+C2CO+
27、C2CO2 2）固体渗碳工艺）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，加热至渗碳温度火泥将箱密封，然后送入加热炉中，加热至渗碳温度(900 960C)，保温一定时间后出炉，即得所需样品。，保温一定时间后出炉，即得所需样品。渗碳温度：900-9600C，有利于C的扩散，温度太高，A晶粒长大，降低加热炉和渗碳箱寿命。渗碳时间：根据渗碳层深度要求、渗碳剂成分、工件装箱量等具体情况而定。常用试棒检查渗碳效果。渗碳剂：要求表面含碳量高、渗层深，选择活性高的渗碳剂，反之选择活性低的渗碳剂。优点：不需要
28、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。2. 2. 液体渗碳法液体渗碳法在能析出活性原子的盐浴中进行的渗碳工艺。在能析出活性原子的盐浴中进行的渗碳工艺。1)、液体渗碳用盐、液体渗碳用盐液体渗碳盐浴一般由液体渗碳盐浴一般由中性盐中性盐、催化剂催化剂和和供碳剂供碳剂组成，中性盐组成，中性盐（NaCl、KCl等）一般不参与渗碳反应，主要起调整盐浴等）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。密度、熔点和流动性的作用。催化剂一般采用碳酸盐，催化剂一般采用碳酸盐，Na2CO3、BaCO3等。等。传统的渗
29、碳盐浴以传统的渗碳盐浴以NaCN为供碳剂，这种盐浴相对易于控制，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。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（近年来发展了低氰渗碳盐浴（NaCN含量保持在含量保持在0.7-2.3%）和无和无NaCN型渗碳盐浴（用木炭粉和型渗碳盐浴（用木炭粉和SiC作为供碳剂）。作为供碳剂）。2)2)、液体渗碳工艺、液体渗碳工艺液体渗碳液体渗碳温度温度及及盐浴活性盐浴活性是决定渗碳速度和表面碳含量的是决定渗碳速度和表面碳含量的主要因素。主要因素。液态渗碳的一般温度为液态渗碳的一般温度为920-940，对于渗层薄及变形要求对于
30、渗层薄及变形要求严格的工件，可采用较低的渗碳温度（严格的工件，可采用较低的渗碳温度（850 900 ）；）；对于要求渗层厚者，渗碳温度要高一些（对于要求渗层厚者，渗碳温度要高一些（910 950 ）。）。温度一定条件下，渗碳保温时间由渗层深度决定。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、液体渗碳优缺点 优点：优点：渗碳速度快，加热均匀，渗碳后便于直接淬火，适渗碳速度快，加热均匀，渗碳后便于直接淬火，适合于处理中、小型零件。合于处理中、小型零件。 缺点：缺点：多数盐浴有毒。多数盐浴有毒。3、 气体渗碳概念：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。特
31、点：操作简便，周期短，质量容易控制，劳动条件好。3. 气体渗碳法气体渗碳法气体渗碳示意图 气体渗碳根据所用渗碳气体的产生办法及种类，可分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。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、滴注式气体渗碳滴注式气体渗碳是指将滴注式气体渗碳是指将苯、醇、煤油苯、醇、煤油等有机液体直接滴入等有机液体直接滴入渗碳炉中渗碳炉中裂解裂解进行气体渗碳的方法。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。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
32、低，作为稀释气体；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。体。滴注剂的选择原则：渗碳能力强，足够的活性原子渗碳能力强，足够的活性原子 用碳氧比与碳当量衡量（液体介质）用碳氧比与碳当量衡量（液体介质） 碳氧比碳氧比：分子式中碳氧原子数之比。：分子式中碳氧原子数之比。C/OC/O越大，分解的越大，分解的活性碳原子越多，渗碳能力越强。活性碳原子越多，渗碳能力越强。 甲醇甲醇 CHCH2 2OH C/O=1OH C/O=1 乙醇乙醇 C C2 2H H2 2OH C/O=2OH C/O=
33、2 丙酮丙酮 CHCH3 3COCHCOCH3 3 C/O=3 C/O=3 碳当量碳当量：产生一克分子碳所需该物质的量。碳当量越小，：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。渗碳能力越强。 甲醇甲醇 CHCH2 2OH OH 碳当量碳当量6464 乙醇乙醇 C C2 2H H2 2OH OH 碳当量碳当量4646 丙酮丙酮 CHCH3 3COCHCOCH3 3 碳当量碳当量2929 渗碳能力由强至弱顺序：渗碳能力由强至弱顺序： 丙酮、乙丙酮、乙酸、乙脂、乙醇、甲醇丙酮、乙丙酮、乙酸、乙脂、乙醇、甲醇 气氛成分的稳定性气氛成分的稳定性 原料经济，来源方便，无公害原料经济，来源方便
34、，无公害碳势调节方法：碳势调节方法：改变两种液体的滴入比例来调节碳势。改变两种液体的滴入比例来调节碳势。使用几种渗碳能力不同的液体，通过改变液滴来调节使用几种渗碳能力不同的液体，通过改变液滴来调节碳势。碳势。滴注式气体的渗碳过程滴注式气体的渗碳过程:分为四个阶段：分为四个阶段：排气、强渗、扩散及降温出炉排气、强渗、扩散及降温出炉排气阶段：加大渗碳剂（稀释剂）滴量，使炉内氧化排气阶段：加大渗碳剂（稀释剂）滴量，使炉内氧化性气氛迅速减少。性气氛迅速减少。强渗阶段：渗碳剂滴量较多，保证炉气有较高碳势，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。以提高渗碳速度。扩散阶段：减少渗碳剂滴
35、量，保持预定的碳势，使表层扩散阶段：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。含量分布。降温出炉阶段：直接淬火的工件，随炉冷至适宜的淬火降温出炉阶段：直接淬火的工件，随炉冷至适宜的淬火温度，保温温度，保温15 30min后出炉淬火；需重新加热淬火的后出炉淬火；需重新加热淬火的工件，自渗碳温度出炉后在空气中冷却。工件，自渗碳温度出炉后在空气中冷却。2)2)、吸热式气氛气体渗碳、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氛渗碳时，炉内渗碳气体由吸热式气体吸热式气体（CO、H2、N2
36、、H2O、CO2、O2等）加等）加富化气富化气（CH4、C3H8）组成。组成。吸热式气氛由一定比例的原料气（天然气、丙烷、丁烷等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。需要有特殊的的反应罐，经吸热反应制备所得的气氛。需要有特殊的气体发生设备，适用大批量生产的连续作业炉。气体发生设备，适用大批量生产的连续作业炉。吸热式气氛的化学反应通式：吸热式气氛的化学反应通式：3)3)、氮基气氛渗碳、氮基气氛渗碳氮基气氛渗碳是一种以氮基气氛渗碳是一种以纯氮纯氮为载体，添
37、加为载体，添加碳氢化合物碳氢化合物进进行气体渗碳的工艺方法。行气体渗碳的工艺方法。特点：特点：不需要气体发生装置。不需要气体发生装置。成分与吸热式气氛基本相同，渗碳层深度的均匀性不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。低于吸热式气氛渗碳。具有与吸热式气氛相同的点燃极限，由于具有与吸热式气氛相同的点燃极限，由于N2能自动安能自动安全吹灭，故采用氮气气氛的工艺具有更大的安全性。全吹灭，故采用氮气气氛的工艺具有更大的安全性。渗碳速度不低于吸热式气氛渗碳。渗碳速度不低于吸热式气氛渗碳。4 4）、真空渗碳法）、真空渗碳法 是一种较新的气体渗碳工艺。是一种较新的气体渗碳工艺。
38、真空渗碳的温度和适用范围真空渗碳的温度和适用范围特点：a 由于将渗碳温度由普通气体渗碳时由于将渗碳温度由普通气体渗碳时900 950C提高提高到到1030 1050C以上，以及由于真空加热的表面净以上，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。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。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。作业条件好，如排除了烟、热对环境的污染等。四、渗碳工艺规
39、范四、渗碳工艺规范总原则：总原则：如何以最快的速度、最经济的效果获得符合要求如何以最快的速度、最经济的效果获得符合要求的渗层。的渗层。1.1.渗碳剂消耗量渗碳剂消耗量滴注式可控气氛渗碳：先将滴注剂流量调整至炉气达到滴注式可控气氛渗碳：先将滴注剂流量调整至炉气达到所需的碳势，再根据渗碳过程中碳势测定的结果调整稀释所需的碳势，再根据渗碳过程中碳势测定的结果调整稀释剂与渗碳剂的比例。剂与渗碳剂的比例。吸热式可控气氛渗碳：一般稀释气体以充满炉膛，并使吸热式可控气氛渗碳：一般稀释气体以充满炉膛，并使炉内气压较大气压高炉内气压较大气压高10mm10mm水柱即可，没每小时所供气体体水柱即可，没每小时所供气体
40、体积约为炉膛的积约为炉膛的2.5-52.5-5倍体积。富化气根据碳势要求添加。倍体积。富化气根据碳势要求添加。2.2.渗碳时间渗碳时间 根据渗层深度及碳势浓度的分布曲线确定。根据渗层深度及碳势浓度的分布曲线确定。五、渗碳后的热处理五、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。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；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；提高心部的强度和韧性；c. 细化晶粒；细化晶粒；d. 消除网状碳化物和减少残留奥氏体；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。消除内应力，稳
41、定尺寸。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。渗碳后常用热处理方法：1.1.预冷直接淬火预冷直接淬火定义定义：工件渗碳后随炉或出炉预冷预冷到稍高于心部成分的Ar3温度，然后直接淬火，这种处理方法叫直接淬火法。预冷的目的预冷的目的：减少零件与淬火介质的温差，从而减少淬火应力和零件的变形。优点优点：工艺简单、生产效率高、成本低、氧化脱碳倾向小。缺点缺点：奥氏体晶粒粗大导致淬火
42、后形成粗大的马氏体，性能下降适用适用：过热倾向小的本质细晶粒钢，如20CrMnTi组织组织： 淬火淬火后（淬透）表面表面：淬火马氏体+残留奥氏体+二次渗碳体。 心部心部：低碳马氏体 回火回火后表面表面：回火马氏体+残留奥氏体+部分二次渗碳体 心部心部：回火低碳马氏体定义定义：零件渗碳终了出炉后缓慢冷却，然后再重新加热淬火，这种处理方法叫一次加热淬火法。优点优点：细化渗碳时形成的粗大组织，提高力学性能。淬火温度的选择淬火温度的选择：如果强化心部，则加热到Ac3以上；如果强化表层，只需加热到Ac1以上。适用适用：组织和性能要求较高的零件，生产中应用广泛2 2、一次淬火法、一次淬火法淬火温度的选择要
43、兼顾表面和心部的要求。淬火温度的选择要兼顾表面和心部的要求。心部要求较高强韧性的零件，加热至心部心部要求较高强韧性的零件，加热至心部Ac3稍上。稍上。 心部心部:细小的低碳细小的低碳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。多，影响耐磨性。对表面耐磨性要求较高的零件，加热温度应选择在对表面耐磨性要求较高的零件，加热温度应选择在Ac1 稍上，稍上， 表面层为表面层为M、未溶碳化物和少量残余奥氏体、未溶碳化物和少量残余奥氏体 心部低碳心部低碳M和未溶铁素体。和未溶铁素体。3 3、二次淬火、二次淬火定义定义：工件渗碳缓冷后两次
44、加热淬火工件渗碳缓冷后两次加热淬火。淬火温度的选择淬火温度的选择：一次淬火加热温度一般为心部成分的Ac3以上，目的是细化心部组织，消除表层网状碳化物；二次淬火一般加热到Ac1以上，使渗层获得细小粒状碳化物和隐晶马氏体，以保证获得高强度和高耐磨性。缺点缺点：工艺复杂、成本高、效率低， 氧化、脱碳、变形大。适用适用：要求表面高耐磨性和心部高韧性的重要零件，当直接淬火、一次淬火无当直接淬火、一次淬火无法满足要求时才使用。法满足要求时才使用。六、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：PFe3CII；接近共析区：P；亚共析区（过渡区）：FP；心部：原始组织。共析区过共析区渗碳后缓冷
45、，渗层分渗碳后缓冷，渗层分三个区域：三个区域：过共析层：过共析层：OAOA段段珠光体网状渗碳体珠光体网状渗碳体共析层：共析层：A A段段珠光体珠光体过渡层：过渡层：ACAC段段珠光体铁素体珠光体铁素体 心部原始组织：大量心部原始组织：大量铁素体少量珠光体铁素体少量珠光体渗碳层的组织过共析组织过共析组织(P+Fe3C) 共析组织共析组织(P) 过渡区亚共析组织过渡区亚共析组织(P+F) 原始亚共析组织原始亚共析组织(F+P) 2 2、渗碳后淬火加低温回火后的组织：、渗碳后淬火加低温回火后的组织：表面：回火马氏体表面：回火马氏体+ +颗粒状碳化物颗粒状碳化物+ +残余奥氏体；残余奥氏体；心部组织依
46、据钢种来确定：心部组织依据钢种来确定：l若为低碳钢，淬透性差，为铁素体若为低碳钢，淬透性差，为铁素体+ +珠光体；珠光体；l若为低碳合金钢，淬透性好，为马氏体加少量铁素体。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3 3、性能、性能 表面：具有较高的硬度、耐磨性以及疲劳强度；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。心部：具有良好的塑性与韧性。渗碳件的组织对性能的影响：渗碳件的组织对性能的影响：（1）表层碳含量）表层碳含量 表面含碳量应控制在表面含碳量应控制在0.9左右左右 。（2）残留奥氏体）残留奥氏体：与马氏体相比，残留奥氏体强度、硬：与马氏
47、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。加了疲劳裂纹形成和扩展的阻力，提高了钢的断裂韧性。一般不宜超过一般不宜超过30 （3）渗层碳化物）渗层碳化物：可显著提高工件的耐磨性和抗咬合性，：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。续性而引起脆性，使工
48、件表面产生剥落。（4）心部硬度及组织）心部硬度及组织：工件心部硬度取决于钢的碳含量。：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，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。不允许有大块、大量的铁素体存在。（5）渗碳层深度）渗碳层深度：渗碳层的深度愈深，可以承载接触应：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，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。工件韧性下降，疲劳强
49、度降低。一般渗碳件的工艺路线：一般渗碳件的工艺路线：锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳渗碳淬火淬火+低温回火低温回火精加工精加工七、渗碳件的质量检查七、渗碳件的质量检查 1 1、渗碳层的深度的检查、渗碳层的深度的检查（测定）（测定） 常用随炉渗碳试样来判别。常用随炉渗碳试样来判别。（1 1）断口分析法）断口分析法：将渗碳试样淬火后打断观察，渗层断：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含碳量约为0.40.4。 为了清楚地显示渗碳层，可将试样断口磨平抛光，为了清楚地显示渗碳层，可将试样断口磨
50、平抛光，4 4硝酸酒精溶液腐蚀，渗碳层呈黑色，中心部分呈灰色，直硝酸酒精溶液腐蚀，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接用读数放大镜测出渗层深度。（2 2）金相分析法）金相分析法：退火态下测量。：退火态下测量。l 碳钢件：从表面测到过渡区的碳钢件：从表面测到过渡区的1/21/2处。处。l 合金钢：从表面到出现原始组织为止。合金钢：从表面到出现原始组织为止。（3 3）硬度法：）硬度法：渗碳渗层深度为从表面向里到硬度渗碳渗层深度为从表面向里到硬度HV550HV550。2 2、硬度检查：、硬度检查： 根据技术要求和工艺规定的部位检查硬度。根据技术要求和工艺规定的部位检查硬度。
