1、第十一章钢的化学热处理演示课件11.1 11.1 化学热处理概述化学热处理概述 机械零件的失效和破坏，大多数都萌发在工件的机械零件的失效和破坏，大多数都萌发在工件的表面层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、表面层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件，其表面层的性能就显氧化等条件下工作的零件，其表面层的性能就显得尤为重要。得尤为重要。化学热处理的概念化学热处理的概念钢的化学热处理：是将钢件置于特定的活性介质钢的化学热处理：是将钢件置于特定的活性介质中加热保温，使一种或几种元素渗入钢件表层，中加热保温，使一种或几种元素渗入钢件表层，从而改变钢件表层化学成分和组织，达到改进
2、表从而改变钢件表层化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。面性能，满足技术要求的热处理过程。演示课件经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种特殊复合材料。特殊复合材料。经化学热处理后的钢件经化学热处理后的钢件渗入了合金渗入了合金元素的材料元素的材料原始原始成分成分的钢的钢紧密的紧密的晶体型结合晶体型结合远远强于电镀等远远强于电镀等表面涂覆技术所表面涂覆技术所获得的心、表部获得的心、表部之间的结合之间的结合演示课件 化学热处理的目的化学热处理的目的在表面形成高硬层在表面形成高硬层在钢件表面形成减磨、抗粘结薄膜在钢件表面形成减磨、抗粘
3、结薄膜在钢件表面同时形成高硬层与抗粘或减磨薄膜在钢件表面同时形成高硬层与抗粘或减磨薄膜提高零件的耐磨性提高零件的耐磨性提高零件的疲劳强度提高零件的疲劳强度提高零件的抗蚀性提高零件的抗蚀性提高零件的抗高温氧化性提高零件的抗高温氧化性 提高零件的耐磨性提高零件的耐磨性目的有四目的有四演示课件在表面形成在表面形成高硬层高硬层在表面形成减在表面形成减磨、抗粘结薄磨、抗粘结薄膜膜在表面同时形在表面同时形成高硬层与抗成高硬层与抗粘或减磨薄膜粘或减磨薄膜钢件渗碳淬火可获得高碳钢件渗碳淬火可获得高碳M硬化表层；合金钢件渗硬化表层；合金钢件渗氮可获得合金氮化物的弥氮可获得合金氮化物的弥散硬化表层。散硬化表层。蒸
4、汽表面处理产生的蒸汽表面处理产生的Fe3O4薄膜有抗粘结的作用，表薄膜有抗粘结的作用，表面硫化获得的面硫化获得的FeS薄膜可兼薄膜可兼有减磨与抗粘结的作用。有减磨与抗粘结的作用。近年来发展起来的多元共近年来发展起来的多元共渗工艺，如氧氮共渗，硫渗工艺，如氧氮共渗，硫氮共渗，碳氮硫氧硼五元氮共渗，碳氮硫氧硼五元共渗等。共渗等。演示课件化学热处理方法化学热处理方法表面硬化的优势表面硬化的优势提高表面硬度提高表面硬度时，仍能保持时，仍能保持心部处于较好心部处于较好的韧性状态的韧性状态化学热处理同化学热处理同时改变钢件表时改变钢件表层的化学成分层的化学成分与组织与组织如果渗入元如果渗入元素选择适当素选
5、择适当能更好地解决能更好地解决钢件硬化与其钢件硬化与其韧性的矛盾韧性的矛盾比表面淬火比表面淬火硬化方法的硬化方法的效果更好效果更好可获得适应零可获得适应零件多种性能要件多种性能要求的表面层求的表面层演示课件渗碳、渗氮、软氮化和碳氮共渗等方法，都可使渗碳、渗氮、软氮化和碳氮共渗等方法，都可使钢零件在表面强化的同时，在零件表面形成残余钢零件在表面强化的同时，在零件表面形成残余压应力，有效地提高零件的疲劳强度。压应力，有效地提高零件的疲劳强度。提高零件的疲劳强度提高零件的疲劳强度钢件渗铝、渗铬、渗硅后，与氧或腐蚀介质作用钢件渗铝、渗铬、渗硅后，与氧或腐蚀介质作用形成致密、稳定的形成致密、稳定的AlA
6、l2 2O O3 3、CrCr2 2O O3 3、SiOSiO2 2保护膜，提保护膜，提高抗蚀性及高温抗氧化性。高抗蚀性及高温抗氧化性。提高零件的抗蚀性提高零件的抗蚀性 提高零件的抗高温氧化性提高零件的抗高温氧化性例如渗氮可提高零件抗大气腐蚀性能例如渗氮可提高零件抗大气腐蚀性能演示课件 化学热处理的分类化学热处理的分类目前工业上广泛使用的化学热处理方法，就是在钢目前工业上广泛使用的化学热处理方法，就是在钢件表面渗入一种或多种元素，即渗入法。件表面渗入一种或多种元素，即渗入法。根据所渗入的元素，可以将化学热处理分为渗碳、根据所渗入的元素，可以将化学热处理分为渗碳、渗氮、渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗
7、铬等。渗氮、渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。如果同时渗入两种以上的元素，则称之为共渗，如如果同时渗入两种以上的元素，则称之为共渗，如碳氮共渗、铬硅铝共渗等。碳氮共渗、铬硅铝共渗等。钢中渗入的元素，可能溶入铁中形成固溶体，也可钢中渗入的元素，可能溶入铁中形成固溶体，也可能与铁形成某种化合物，总之渗入的元素与基体金能与铁形成某种化合物，总之渗入的元素与基体金属之间具有相互作用。属之间具有相互作用。演示课件演示课件目前生产中最常用的化学热处理是渗碳、渗氮、碳目前生产中最常用的化学热处理是渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼和渗铝等。氮共渗、渗硼和渗铝等。化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程渗入法化学热处理
8、的渗入法化学热处理的基本过程基本过程分解分解吸收吸收扩散扩散钢件周围的介钢件周围的介质分解，以形质分解，以形成渗入元素的成渗入元素的活性原子活性原子活性原子被钢件吸活性原子被钢件吸收，其先决条件是收，其先决条件是活性原子能够溶解活性原子能够溶解于钢件表层金属中于钢件表层金属中渗入原子在基体金属渗入原子在基体金属中的扩散，是化学热中的扩散，是化学热处理得以进行和获得处理得以进行和获得一定深度渗层的保证一定深度渗层的保证演示课件11.2 11.2 钢的渗碳钢的渗碳 渗碳：就是将钢件置于具有足够碳势的介质中加热渗碳：就是将钢件置于具有足够碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其表层形成一个富碳层的到
9、奥氏体状态并保温，使其表层形成一个富碳层的热处理工艺。热处理工艺。渗碳渗碳种类种类最常用最常用常用常用气体渗碳气体渗碳固体渗碳固体渗碳液体渗碳液体渗碳碳势可控碳势可控生产效率高生产效率高劳动条件好劳动条件好便于直接淬火等便于直接淬火等演示课件渗碳用钢：为低碳钢及低碳合金钢，如渗碳用钢：为低碳钢及低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。等。渗碳的目的渗碳的目的提高零件表层的含碳量提高零件表层的含碳量提高表层硬度，增强提高表层硬度，增强零件的抗磨损能力零件的抗磨损能力同时保持心部的同时保持心部的良好韧性良好韧性主要用于那些对表面有较高耐磨性要主要用于
10、那些对表面有较高耐磨性要求、并承受较大冲击载荷的零件求、并承受较大冲击载荷的零件演示课件气氛的主要组成物都是气氛的主要组成物都是CO、CO2、CH4、H2和和H2O等等5种气体；种气体；其中其中CO和和CH4起渗碳作用，其余的起脱碳作用。起渗碳作用，其余的起脱碳作用。渗碳原理渗碳原理 渗碳介质的分解渗碳介质的分解工业气体渗碳方法的主要类型工业气体渗碳方法的主要类型在炉中产生所需要的渗碳气氛在炉中产生所需要的渗碳气氛可控气氛可控气氛碳氢化合物气体碳氢化合物气体含碳的有机液体含碳的有机液体演示课件在渗碳炉中，与渗碳有关的最主要反应有如下四个在渗碳炉中，与渗碳有关的最主要反应有如下四个在所供应的原料
11、气氛在所供应的原料气氛组成稳定的情况下，组成稳定的情况下，只要控制气氛中微量只要控制气氛中微量的的CO2、H2O、CH4或或O2中的任何一个的中的任何一个的含量，就可达到控制含量，就可达到控制渗碳炉中碳势的目的渗碳炉中碳势的目的.演示课件通常，生产中多通常，生产中多采用露点仪来控采用露点仪来控制气氛中的制气氛中的H2O含量；含量；因为气氛的露点因为气氛的露点与气氛中的含水与气氛中的含水量具有很好的对量具有很好的对应关系，即含水应关系，即含水量越高、露点就量越高、露点就越高；越高；演示课件生产中或者采用生产中或者采用红外线仪来控制红外线仪来控制CO2的含量；的含量；演示课件或者采用氧探头来控制气
12、氛中或者采用氧探头来控制气氛中O2含量。含量。无论采用上述哪种方法，都可以达到控制渗碳炉中无论采用上述哪种方法，都可以达到控制渗碳炉中渗碳气氛碳势的目的。渗碳气氛碳势的目的。在实际生产中，渗碳时间往往比较短，必须根据气在实际生产中，渗碳时间往往比较短，必须根据气氛种类、表面碳含量要求、渗碳温度和渗碳时间等氛种类、表面碳含量要求、渗碳温度和渗碳时间等因素确定出一个在不平衡情况下的合适碳势，才能因素确定出一个在不平衡情况下的合适碳势，才能真正保证渗碳工件所需的表面含碳量；真正保证渗碳工件所需的表面含碳量；同时还需采用多参数控制法来减少碳势控制的误差。同时还需采用多参数控制法来减少碳势控制的误差。演
13、示课件 工件表面必须清洁；工件表面必须清洁；炉气需要具有良好的循环：活性碳原子被吸炉气需要具有良好的循环：活性碳原子被吸收后，剩下的收后，剩下的CO2、H2或或H2O等脱碳气氛需等脱碳气氛需要被及时排出；要被及时排出；控制好分解和吸收两个阶段的速度，使之恰控制好分解和吸收两个阶段的速度，使之恰当配合：如果分解速度大于吸收速度，将在当配合：如果分解速度大于吸收速度，将在工件表面形成积碳，从而影响吸收速度。工件表面形成积碳，从而影响吸收速度。碳原子的吸收碳原子的吸收要使反应生成的活性碳原子被钢件表面吸收，必要使反应生成的活性碳原子被钢件表面吸收，必须满足以下条件：须满足以下条件：演示课件碳原子由表
14、面向心部的扩散，是渗碳得以进行并获碳原子由表面向心部的扩散，是渗碳得以进行并获得一定深度渗层的条件。得一定深度渗层的条件。扩散的驱动力是工件表面与心部的碳浓度梯度。扩散的驱动力是工件表面与心部的碳浓度梯度。碳在铁中形成的是间隙式固溶体，其扩散系数比形碳在铁中形成的是间隙式固溶体，其扩散系数比形成置换式固溶体的合金元素要大很多。碳在成置换式固溶体的合金元素要大很多。碳在-Fe中中的扩散系数为的扩散系数为:(0.040.08%)exp(31350()(0.070.06%)exp(32000()DCRTDCRT或可见，温度和碳浓度都影响碳的扩散系数。可见，温度和碳浓度都影响碳的扩散系数。碳原子的扩散
15、碳原子的扩散演示课件间隙原子的扩散服从间隙原子的扩散服从Fick第二定律，由该定律可以第二定律，由该定律可以有下面一个关系式：有下面一个关系式：dt因此，此式也就成为根据渗碳温度和渗层深度来确因此，此式也就成为根据渗碳温度和渗层深度来确定渗碳时间的依据。定渗碳时间的依据。式中，式中，d渗碳层的深度渗碳层的深度 渗层深度因子，渗层深度因子，与渗碳温度具有与渗碳温度具有一定的关系一定的关系 t扩散进行的时间扩散进行的时间演示课件主要是通过对碳的扩散系数和渗层表面碳浓度的影主要是通过对碳的扩散系数和渗层表面碳浓度的影响来实现的。通常地，响来实现的。通常地，Mn、Cr、Mo能略微增加渗能略微增加渗层的
16、深度，而层的深度，而W、Ni、Si等则减小渗层的深度。等则减小渗层的深度。钢中合金元素对渗碳过程的影响钢中合金元素对渗碳过程的影响凡是碳化物形成元素如凡是碳化物形成元素如Ti、Cr、Mo、W及含量大于及含量大于1的的V、Nb等，都增加渗层表面碳浓度；等，都增加渗层表面碳浓度；凡是非碳化物形成元素如凡是非碳化物形成元素如Si、Ni、Al等，都降低渗等，都降低渗层表面碳浓度。层表面碳浓度。对表面碳浓度的影对表面碳浓度的影响响 对渗层深度的影响对渗层深度的影响演示课件 渗碳工艺参数渗碳工艺参数渗碳前渗碳前渗碳中渗碳中渗碳后渗碳后除去表面油污、锈斑或其它脏物；除去表面油污、锈斑或其它脏物；对不需要渗碳
17、的局部加以防护；对不需要渗碳的局部加以防护；零件在料盘内必须均匀放置。零件在料盘内必须均匀放置。控制气氛的碳势、温度和时间，以控制气氛的碳势、温度和时间，以保证技术条件规定的表面碳含量、保证技术条件规定的表面碳含量、渗层深度和较平缓的碳浓度梯度。渗层深度和较平缓的碳浓度梯度。根据炉型选取适当的热处理方式进根据炉型选取适当的热处理方式进行热处理，以获得预期的性能。行热处理，以获得预期的性能。演示课件渗碳工艺参数渗碳工艺参数气氛的碳势气氛的碳势渗碳的温度渗碳的温度渗碳的时间渗碳的时间演示课件从统计资料看，一般渗碳件的表面碳含量可在从统计资料看，一般渗碳件的表面碳含量可在0.61.1之间变化。之间变
18、化。气氛碳势的选择与控制气氛碳势的选择与控制确定最佳表面含碳量的依据确定最佳表面含碳量的依据首先是获得最高首先是获得最高的表面硬度的表面硬度其次是渗碳层具其次是渗碳层具有最高的耐磨性有最高的耐磨性和抗磨损疲劳性和抗磨损疲劳性能能与钢的成分与钢的成分密切相关密切相关渗碳层中具有适量渗碳层中具有适量的碳化物存在的碳化物存在演示课件渗碳零件表面碳含量低，渗碳零件表面碳含量低，淬火后低温回火所得到的淬火后低温回火所得到的硬度低，耐磨性差；硬度低，耐磨性差；零件表面含碳量过高，渗零件表面含碳量过高，渗碳层出现大量块状或网状碳层出现大量块状或网状的碳化物，使脆性增加，的碳化物，使脆性增加，易在承受冲击负荷
19、时剥落易在承受冲击负荷时剥落;因此，表面层含碳量最好因此，表面层含碳量最好在在0.851.05范围内。范围内。演示课件渗碳温度是渗碳工艺中最重要的一个因素，它影渗碳温度是渗碳工艺中最重要的一个因素，它影响着分解反应的平衡、碳的扩散、还影响着钢中响着分解反应的平衡、碳的扩散、还影响着钢中的组织转变。的组织转变。由于奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳温度必须由于奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳温度必须高于高于Ac3温度。温度。渗碳温度渗碳温度渗碳温度渗碳温度常用常用920940，温度愈高，渗速愈快，温度愈高，渗速愈快，渗层愈深。渗层愈深。但温度过高会引起奥氏体晶粒长大，降低零件的但温度过高会引起奥氏体晶
20、粒长大，降低零件的力学性能，增加零件畸变，降低设备使用寿命。力学性能，增加零件畸变，降低设备使用寿命。演示课件如如0.30.6mm，可选为，可选为88010；0.60.8mm，可选用，可选用90010；0.81.2mm或以上，选用或以上，选用92010。通常渗碳的温度的选择视要求的渗层深度确定：通常渗碳的温度的选择视要求的渗层深度确定：有的要求深层渗碳或缩短渗碳周期，可采用有的要求深层渗碳或缩短渗碳周期，可采用10301050；但必需采用细晶粒钢、高温渗碳钢、或渗碳后再但必需采用细晶粒钢、高温渗碳钢、或渗碳后再经循环热处理细化晶粒。经循环热处理细化晶粒。演示课件8287()660Tmmet式中
21、，式中，t时间时间(h)T温度温度(K)对几种常用渗碳温度的层深计算公式可简化为：对几种常用渗碳温度的层深计算公式可简化为：870()0.457900()0.533925()0.635mmtmmtmmt，一般地，由于扩散缓慢，渗碳时间不需精确控制。一般地，由于扩散缓慢，渗碳时间不需精确控制。渗层深度和渗碳温度确定后，所需的渗碳时间可渗层深度和渗碳温度确定后，所需的渗碳时间可根据根据Harris公式进行近似计算。公式进行近似计算。渗碳时间渗碳时间演示课件演示课件 工艺参数的综合选择工艺参数的综合选择由于各参数间相互影响较大，同时为了缩短渗碳由于各参数间相互影响较大，同时为了缩短渗碳的总时间，通常
22、对各参数进行综合调节：的总时间，通常对各参数进行综合调节：升温阶段升温阶段高速渗碳阶段高速渗碳阶段扩散阶段扩散阶段预冷阶段预冷阶段采用低碳势采用低碳势在正常温度或更高温度下采用高于在正常温度或更高温度下采用高于所需表面碳含量的碳势，时间较长所需表面碳含量的碳势，时间较长在正常渗碳温度下采用与所需表面在正常渗碳温度下采用与所需表面碳含量相等的碳势，时间较短碳含量相等的碳势，时间较短使温度降到淬火温度，便于直接淬使温度降到淬火温度，便于直接淬火处理。火处理。演示课件 固体渗碳和液体渗碳简介固体渗碳和液体渗碳简介固体渗碳是将工件和固体固体渗碳是将工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用渗碳剂装入渗碳箱中，用
23、盖子和耐火泥封好，然后盖子和耐火泥封好，然后放在炉中加热至放在炉中加热至900900950 950，保温足够长时间，得，保温足够长时间，得到一定厚度的渗碳层。到一定厚度的渗碳层。固体渗碳固体渗碳固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与10%10%左右的碳酸左右的碳酸盐（盐（BaCOBaCO3 3或或NaNa2 2COCO3 3）的混合物。木炭提供渗碳所需）的混合物。木炭提供渗碳所需要 的 活 性 碳 原 子，碳 酸 盐 起 催 化 作要 的 活 性 碳 原 子，碳 酸 盐 起 催 化 作用。用。演示课件而加入的催渗剂在高温下会发生分解，放出的而加入的催渗剂在高温下会发生
24、分解，放出的CO2与木炭发生反应生成大量的与木炭发生反应生成大量的CO，CO在钢件表面分在钢件表面分解，从而提供活性碳原子。解，从而提供活性碳原子。因渗碳箱中的氧气是有限的，因此通过因渗碳箱中的氧气是有限的，因此通过2C+O2C+O2 22CO2CO来获得来获得CO的量是有限的量是有限的。的。演示课件固体渗碳的优缺点固体渗碳的优缺点适用于各种零件，尤其是小批量生产适用于各种零件，尤其是小批量生产可使用各种普通加热炉，设备费用低可使用各种普通加热炉，设备费用低渗后慢冷，工件硬度低，利于切削加工渗后慢冷，工件硬度低，利于切削加工不适于浅渗碳层零件生产；不适于浅渗碳层零件生产；表面碳含量很难精确控制
25、；表面碳含量很难精确控制；渗碳后不能直接淬火；渗碳后不能直接淬火；渗碳时间长，劳动条件差。渗碳时间长，劳动条件差。优点优点缺点缺点演示课件 液体渗碳液体渗碳液体渗碳就是在液体介质中进行的渗碳。液体渗碳就是在液体介质中进行的渗碳。有氰化物的盐浴有氰化物的盐浴无氰化物的盐浴无氰化物的盐浴在无氰化物的盐浴中，渗碳的反应如下：在无氰化物的盐浴中，渗碳的反应如下：加热介质为加热介质为NaCl和和KCl，催渗剂为，催渗剂为Na2CO3，供碳介质为尿素和木炭粉，供碳介质为尿素和木炭粉演示课件由液体渗碳的以上反应可以看出：由液体渗碳的以上反应可以看出：渗碳反应仍然是钢件表面的气相反应；渗碳反应仍然是钢件表面的
26、气相反应；原材料虽然无毒，但反应的结果仍然使盐浴中原材料虽然无毒，但反应的结果仍然使盐浴中含有约含有约0.5的的NaCN；盐浴还具有一定的渗氮功能。盐浴还具有一定的渗氮功能。加热速度快加热速度快生产效率高生产效率高加热均匀加热均匀便于直接淬火便于直接淬火易腐蚀工件易腐蚀工件碳势调整幅度小碳势调整幅度小且不易控制且不易控制劳动条件差等等劳动条件差等等优优点点缺缺点点演示课件渗渗碳碳层层的的组组织织过共析组织过共析组织(P+Fe(P+Fe3 3C C)共析组织共析组织(P)(P)过渡区亚共析组织过渡区亚共析组织(P+F)(P+F)原始亚共析组织原始亚共析组织(F+P)(F+P)上述组织显然不能满足
27、要求。渗碳后必须进行热处理，即上述组织显然不能满足要求。渗碳后必须进行热处理，即进行淬火和回火，对某些钢种还包括冷处理。进行淬火和回火，对某些钢种还包括冷处理。渗碳后的热处理渗碳后的热处理演示课件工件渗碳后热处理的目的工件渗碳后热处理的目的提高渗层表面提高渗层表面的强度、硬度的强度、硬度和耐磨性和耐磨性消除网状消除网状渗碳体和渗碳体和减少残减少残A提高心部提高心部的强度和的强度和韧性韧性细化细化晶粒晶粒 渗碳后的淬火渗碳后的淬火演示课件原则上：过共析层的淬火温度应低于原则上：过共析层的淬火温度应低于Accm 亚共析层的淬火温度应高于亚共析层的淬火温度应高于Ac3渗碳零件的淬火温度选择渗碳零件的
28、淬火温度选择如果如果AccmAc3，就很容易选择一个淬火温度来同，就很容易选择一个淬火温度来同时满足这两者的要求；时满足这两者的要求；如果如果AccmAc3，则很难两者同时兼顾，在这种情，则很难两者同时兼顾，在这种情况下，要根据对零件的主要技术要求、钢件心部况下，要根据对零件的主要技术要求、钢件心部能否淬透、渗碳后零件的表面碳含量和所采用的能否淬透、渗碳后零件的表面碳含量和所采用的淬火方法等，综合考虑而加以确定。淬火方法等，综合考虑而加以确定。要兼顾高碳的渗层和低碳的心部两方面的要求。要兼顾高碳的渗层和低碳的心部两方面的要求。演示课件 直接淬火法直接淬火法直接淬火：是指工件渗碳后，随炉降温或出
29、炉预直接淬火：是指工件渗碳后，随炉降温或出炉预冷到冷到760860后，直接淬火的热处理工艺。后，直接淬火的热处理工艺。随炉降温或出炉预冷的目的随炉降温或出炉预冷的目的预冷的温度要根据零件的要求和钢的预冷的温度要根据零件的要求和钢的Ar1而定。而定。减少淬火减少淬火内应力与内应力与变形变形使高碳使高碳A析出一部分析出一部分K，降低，降低A中的碳浓度，从而减少淬火后中的碳浓度，从而减少淬火后残残A量，获得较高的表面硬度量，获得较高的表面硬度演示课件减少加热和冷却的次数，提高生产效率，降低能减少加热和冷却的次数，提高生产效率，降低能耗及生产成本，还可减少零件变形及表面的氧化耗及生产成本，还可减少零件
30、变形及表面的氧化和脱碳。和脱碳。直接淬火的优点：直接淬火的优点：适用于本质细晶粒钢制作的零件，不适用于本质适用于本质细晶粒钢制作的零件，不适用于本质粗晶粒钢制作的零件。粗晶粒钢制作的零件。另外，如果渗碳后表面碳浓度很高，则同样不适另外，如果渗碳后表面碳浓度很高，则同样不适宜于采用直接淬火，因为预冷时碳化物一般沿奥宜于采用直接淬火，因为预冷时碳化物一般沿奥氏体晶界呈网状析出，使脆性增大。氏体晶界呈网状析出，使脆性增大。直接淬火适用范围：直接淬火适用范围：演示课件 重新加热淬火重新加热淬火工件在渗碳后冷却到工件在渗碳后冷却到A完全转变，可能转变成完全转变，可能转变成P或或M等组织。接着重新将它加热
31、到所希望的淬火温度，等组织。接着重新将它加热到所希望的淬火温度，然后淬火，这种方法可以得到晶粒较细的组织。然后淬火，这种方法可以得到晶粒较细的组织。演示课件此外，也可以在二次加热淬火中间安排一次回火，此外，也可以在二次加热淬火中间安排一次回火，在最后淬火加热之前可以进行一些切削加工；在最后淬火加热之前可以进行一些切削加工；为了避免重复加热引起太大的变形，对于形状易于为了避免重复加热引起太大的变形，对于形状易于变形的工件，可规定进行一次或几次预热。变形的工件，可规定进行一次或几次预热。演示课件二次加热淬火对于高温（二次加热淬火对于高温（9801050）渗碳工件）渗碳工件是必不可少的。是必不可少的
32、。因为高温渗碳后奥氏体晶粒粗大，故第一次淬火因为高温渗碳后奥氏体晶粒粗大，故第一次淬火温度通常高于心部的温度通常高于心部的Ac3，而第二次淬火温度在渗，而第二次淬火温度在渗层的层的Ac1Accm之间。之间。经过二次淬火后，奥氏体晶粒可以得到充分细化，经过二次淬火后，奥氏体晶粒可以得到充分细化，表层碳化物可变成粒状，残余奥氏体量减少，疲表层碳化物可变成粒状，残余奥氏体量减少，疲劳强度显著提高。劳强度显著提高。但二次加热淬火的成本高、周期长、易脱碳变形，但二次加热淬火的成本高、周期长、易脱碳变形，故极少采用。故极少采用。演示课件渗碳零件在淬火后，紧接着于渗碳零件在淬火后，紧接着于150250之间进
33、之间进行回火处理。行回火处理。对于非合金钢，回火温度一般为对于非合金钢，回火温度一般为150l80；对于合金钢，回火温度一般为对于合金钢，回火温度一般为160200。经过这种回火处理，可降低组织应力，并且在最经过这种回火处理，可降低组织应力，并且在最外层保持有利的压应力；此外，回火改善了渗碳外层保持有利的压应力；此外，回火改善了渗碳淬火零件的可磨削性，降低了磨削裂纹敏感性。淬火零件的可磨削性，降低了磨削裂纹敏感性。在在150250之间回火，硬度的最多降低之间回火，硬度的最多降低5HRC，大多降低大多降低13 HRC。回火回火演示课件 冷处理冷处理目的在于减少或消目的在于减少或消除残除残A，从而
34、适当提，从而适当提高渗碳层的硬度。高渗碳层的硬度。冷处理既提高了生冷处理既提高了生产成本，又增加了产成本，又增加了生产工序，目前除生产工序，目前除特殊渗碳工件外，特殊渗碳工件外，一般都很少采用这一般都很少采用这道冷处理工序。道冷处理工序。演示课件 渗碳层深度的测量渗碳层深度的测量目前渗层深度的测量方法有：化学分析法、硬度目前渗层深度的测量方法有：化学分析法、硬度测量法和金相法等，其中硬度法是目前应用最广测量法和金相法等，其中硬度法是目前应用最广泛的一种标准方法。泛的一种标准方法。渗碳层深度是渗碳零件的主要技术要求之一。渗碳层深度是渗碳零件的主要技术要求之一。渗层深度的两种定义渗层深度的两种定义
35、全渗层深度全渗层深度有效渗层深度有效渗层深度渗层的表面到渗渗层的表面到渗层刚到达心部时层刚到达心部时的垂直距离的垂直距离零件经渗碳淬火后由表零件经渗碳淬火后由表面至硬度为面至硬度为HV550或或HRC50的最远点的距离的最远点的距离演示课件演示课件 渗碳热处理的常见缺陷渗碳热处理的常见缺陷常见常见缺陷缺陷表面硬度表面硬度偏低偏低渗层深度渗层深度不够或不均匀不够或不均匀零件变形零件变形超差超差心部硬度心部硬度过高过高金相组织金相组织不合格不合格渗碳层出渗碳层出现内氧化现内氧化演示课件渗碳层出现内氧化渗碳层出现内氧化演示课件 渗碳后钢的机械性能渗碳后钢的机械性能 硬度和耐磨性硬度和耐磨性钢件的表面
36、硬度和耐磨性可显著提高。钢件的表面硬度和耐磨性可显著提高。冲击韧性和断裂韧性冲击韧性和断裂韧性钢件的冲击韧性和断裂韧性都降低，并且表面碳钢件的冲击韧性和断裂韧性都降低，并且表面碳含量越高、渗层越深，这两种性能降低越厉害。含量越高、渗层越深，这两种性能降低越厉害。演示课件 疲劳强度疲劳强度 表面碳含量越高，表面碳含量越高，Ms点越低，表面点越低，表面M的量小于的量小于表层内部表层内部M的量，在表面层得到的残余压应力的量，在表面层得到的残余压应力越大，它可以抵消相当部分由外加负载引起的越大，它可以抵消相当部分由外加负载引起的拉应力，从而提高疲劳强度；拉应力，从而提高疲劳强度；一定层深的高硬度一定层
37、深的高硬度渗碳层，可以提高渗碳层，可以提高抵抗微裂纹的形成抵抗微裂纹的形成和扩展，从而提高和扩展，从而提高疲劳强度。疲劳强度。钢件经渗碳后，其疲劳强度显著提高：钢件经渗碳后，其疲劳强度显著提高：演示课件11.3 11.3 钢的渗氮钢的渗氮 渗氮工艺又叫氮化。它是将氮渗入钢件表面，以渗氮工艺又叫氮化。它是将氮渗入钢件表面，以提高其硬度、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性的一种提高其硬度、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性的一种化学处理方法。化学处理方法。氮化的特点和分类氮化的特点和分类 渗氮的特点渗氮的特点渗氮件的表面硬度可高达渗氮件的表面硬度可高达HRC70HRC70左右，并可保持到左右，并可保持到500500左
38、右而不降低，而渗碳层淬火后其硬度在左右而不降低，而渗碳层淬火后其硬度在HRC60HRC606262左右左右并在并在200以上就急剧下降以上就急剧下降。由于渗氮层硬度高，其耐磨。由于渗氮层硬度高，其耐磨性也较高。性也较高。高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性演示课件由于渗氮后表面形成的氮化物薄膜，化学稳定性高而且由于渗氮后表面形成的氮化物薄膜，化学稳定性高而且致密。致密。高的疲劳强度高的疲劳强度氮化层内的残余压应力比渗碳层大，故氮化后可获得较氮化层内的残余压应力比渗碳层大，故氮化后可获得较高的疲劳强度。高的疲劳强度。渗氮件的变形很小且规律性强渗氮件的变形很小且规律性强因为氮化后钢件不需其他任何热处理
39、。因为氮化后钢件不需其他任何热处理。良好的抗咬卡性能良好的抗咬卡性能由于氮化层的高硬度和高温硬度。由于氮化层的高硬度和高温硬度。良好的耐腐蚀性能良好的耐腐蚀性能演示课件例如：例如：38CrMoAl38CrMoAl钢制压缩机活塞杆为获得钢制压缩机活塞杆为获得0.40.40.6mm0.6mm的渗氮层深度，气体渗氮保温时间需的渗氮层深度，气体渗氮保温时间需60h60h左右。左右。处理时间长处理时间长生产成本高生产成本高氮化层较薄（氮化层较薄（0.30.6mm）氮化层脆性较大氮化层脆性较大氮化的主要缺点氮化的主要缺点演示课件 渗氮的分类渗氮的分类氮化氮化普通氮化普通氮化离子氮化离子氮化固体氮化固体氮化
40、液体氮化液体氮化气体氮化气体氮化 Fe-N Fe-N相图和纯铁相图和纯铁氮化层的组织氮化层的组织两个共析反应：两个共析反应：演示课件相图中的各个相：相图中的各个相：N在在-Fe的固溶体的固溶体：N在在-Fe的固溶体的固溶体：N在在Fe4N的固溶体的固溶体：N N含量很宽的化合物含量很宽的化合物：N在在Fe2N的固溶体的固溶体演示课件演示课件 气体氮化原理气体氮化原理无水氨气；无水氨气；或氨气氢气；或氨气氢气；或氨气氮气；或氨气氮气；氨气的分解氨气的分解氮原子的吸收氮原子的吸收氮原子的扩散氮原子的扩散整个氮化过程分为三个阶段整个氮化过程分为三个阶段气体氮化时一般使用气体氮化时一般使用演示课件 氨
41、气的分解氨气的分解纯铁氮化时表面形成相与纯铁氮化时表面形成相与(NH3+H2)混合气平衡的条件混合气平衡的条件演示课件 氮原子的吸收氮原子的吸收活性氮原子只有一部分能立即被钢件表面吸收，活性氮原子只有一部分能立即被钢件表面吸收，而多数活性氮原子则很快相互结合成氮分子而逸而多数活性氮原子则很快相互结合成氮分子而逸出。出。演示课件 氮原子的扩散氮原子的扩散在气体氮化时，由于气氛中的氮势很容易超过生在气体氮化时，由于气氛中的氮势很容易超过生成成化合物所需要的氮量，因此在钢件表面极易化合物所需要的氮量，因此在钢件表面极易生成一层生成一层化合物，此时氮原子将溶于化合物层化合物，此时氮原子将溶于化合物层中
42、并不断向内扩散。中并不断向内扩散。演示课件氮在铁中的扩散系数可用下式表示氮在铁中的扩散系数可用下式表示00020exp(/)0.3/76.12/NNDDQ RTDFeDmmsRQJ mol氮在中的扩散系数；常数()；气体常数；激活能()。由于由于N原子半径比原子半径比C原原子小，因而子小，因而N原子的扩原子的扩散系数比散系数比C大。大。与渗碳类似，氮化层与渗碳类似，氮化层的深度也随时间呈抛的深度也随时间呈抛物线关系增加。物线关系增加。演示课件 合金元素的影响和氮化强化机理合金元素的影响和氮化强化机理氮化物形成元素和氮化物形成元素和Al对氮化的影响最显著。对氮化的影响最显著。合金元素一般都减少氮
43、化层的深度，其中尤以合金元素一般都减少氮化层的深度，其中尤以Ti、Al最为显著，最为显著，Cr次之。次之。钢中碳也会降低氮化钢中碳也会降低氮化层的深度，可能是由层的深度，可能是由于由于钢中形成碳化于由于钢中形成碳化物而阻碍了氮原子的物而阻碍了氮原子的扩散所致。扩散所致。演示课件合金元素对氮化层的硬度的影响更为显著。合金元素对氮化层的硬度的影响更为显著。其中尤以其中尤以Al、Ti最为显著，最为显著，Cr、Mo次之，次之，Ni由于由于不形成氮化物，对硬度几乎没有什么影响。不形成氮化物，对硬度几乎没有什么影响。但由于但由于Ti在钢中将首在钢中将首先形成极稳定的碳化先形成极稳定的碳化物，而对氮化层的硬
44、物，而对氮化层的硬度贡献很小。度贡献很小。因此，工业用氮化钢因此，工业用氮化钢大都含有大都含有Al、Cr、Mo，而不含，而不含Ti。演示课件Al、Cr、Mo等合金之所以能显著提高钢的氮化等合金之所以能显著提高钢的氮化层硬度，是因为氮原子在向心部扩散时，在氮化层硬度，是因为氮原子在向心部扩散时，在氮化层中依次发生：层中依次发生：氮和合金元素的偏聚，形成所谓的氮和合金元素的偏聚，形成所谓的G-P区；区；-Fe16N2型过渡氮化物的析出等。型过渡氮化物的析出等。这些共格的偏聚区和过渡氮化物的析出，会引起这些共格的偏聚区和过渡氮化物的析出，会引起硬度的强烈增高。上述过程与淬火时效的过程硬度的强烈增高。
45、上述过程与淬火时效的过程几乎一样。几乎一样。演示课件 氮化前的热处理氮化前的热处理氮化零件的心部性能，由氮化前的热处理决定，氮化零件的心部性能，由氮化前的热处理决定，因此，氮化前的热处理非常重要。因此，氮化前的热处理非常重要。时效强化时效强化M相变强化相变强化氮化后氮化后不需热处理不需热处理渗碳后渗碳后必须淬火必须淬火同时也改变同时也改变心部的性能心部的性能强化机理不同强化机理不同氮化氮化渗碳渗碳演示课件淬火温度：由钢的淬火温度：由钢的Ac3决定；决定；淬火介质：由钢的淬透性决定；淬火介质：由钢的淬透性决定；回火温度：由心部的硬度要求和对氮化层硬度的回火温度：由心部的硬度要求和对氮化层硬度的影
46、响决定。影响决定。调质处理调质处理淬火淬火回火回火氮化前的热处理一般都是：调质处理氮化前的热处理一般都是：调质处理一般情况下，为了保证心部组织的稳定性，避免一般情况下，为了保证心部组织的稳定性，避免氮化时心部性能发生变化，通常都使氮化前的回氮化时心部性能发生变化，通常都使氮化前的回火温度比氮化温度高火温度比氮化温度高50左右。左右。演示课件氮化前的回火温度对氮化后的硬度梯度的影响氮化前的回火温度对氮化后的硬度梯度的影响（a）0.32C-3.0Cr-0.4Mo钢在钢在510氮化氮化60h；（b）2.10C-12.0Cr-0.7W钢在钢在510氮化氮化10h。一般地，回火温度低，不仅心部硬度高，且
47、氮化层一般地，回火温度低，不仅心部硬度高，且氮化层硬度也较高，因而有效渗层的深度也会有所提高。硬度也较高，因而有效渗层的深度也会有所提高。演示课件 气体氮化工艺气体氮化工艺氮化温度影响着氮化层的深度和硬度；氮化温度影响着氮化层的深度和硬度；氮化时间则主要影响层深。氮化时间则主要影响层深。正确制订氮化工艺，关键在于选择好三个参数：正确制订氮化工艺，关键在于选择好三个参数：氮化温度和时间的选择氮化温度和时间的选择氮化温度氮化温度氮化时间氮化时间气氛氮势气氛氮势演示课件60h演示课件演示课件 氮化前零件的回火温度，使氮化温度低于回氮化前零件的回火温度，使氮化温度低于回火温度火温度50左右；左右；氮化
48、层深的要求，氮化层要求较深，氮化温氮化层深的要求，氮化层要求较深，氮化温度应高一些；度应高一些；金相组织的要求，氮化温度越高，越容易出金相组织的要求，氮化温度越高，越容易出现白层现白层(-Fe2N1-x+-Fe4N)和网状氮化物。和网状氮化物。氮化温度的选择：氮化温度的选择：主要根据对零件表面硬度的要主要根据对零件表面硬度的要求而定，要求硬度高者，氮化温度应适当降低。求而定，要求硬度高者，氮化温度应适当降低。在此前提下，还要考虑：在此前提下，还要考虑：氮化时间的选择：氮化时间的选择：主要依据氮化的层深而定。主要依据氮化的层深而定。演示课件也可以采取也可以采取525+540的两段氮化法，还可以采
49、的两段氮化法，还可以采用低温用低温-高温高温-低温、或低温低温、或低温-高温高温-高温等工艺。高温等工艺。为了加快氮化速度并保证硬度要求，目前已经发展为了加快氮化速度并保证硬度要求，目前已经发展了各种分阶段氮化方法。了各种分阶段氮化方法。例如：例如：常用的氮化钢常用的氮化钢38CrMoAlA制成的气缸筒，要求渗层制成的气缸筒，要求渗层深深0.50.8mm、硬度、硬度HRA80时，可采用以下工艺时，可采用以下工艺:第一阶段：低温第一阶段：低温(5105、50h)高氮势，加大扩高氮势，加大扩散驱动力；散驱动力；第二阶段：高温第二阶段：高温(5505、50h)低氮势，加快扩低氮势，加快扩散和调整表面
50、氮含量。散和调整表面氮含量。演示课件对于不锈钢等高合金钢的氮化，由于对于不锈钢等高合金钢的氮化，由于N原子在这原子在这类钢中的扩散比较困难，往往不容易得到较深的类钢中的扩散比较困难，往往不容易得到较深的渗层，因此，一般都采用较高的氮化温度（渗层，因此，一般都采用较高的氮化温度（550560），以提高氮化速度。），以提高氮化速度。气氛氮势的选择气氛氮势的选择氮化气氛氮化气氛氮势控制方法氮势控制方法传统的不控制氮势而控制传统的不控制氮势而控制氨气的分解率氨气的分解率利用红外线氮气分析仪，利用红外线氮气分析仪，对排放气体中的对排放气体中的NH3量进量进行分析而控制气氛氮势行分析而控制气氛氮势演示课件
