1、1先进热处理制造技术先进热处理制造技术第二章第二章 可控气氛热处理技术可控气氛热处理技术第2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第2章 可控气氛热处理技术主要内容 制备气氛的气源制备气氛的气源 设备设备 可控气氛在热处理中的应用可控气氛在热处理中的应用3第2章 可控气氛热处理技术制备气氛的气源 最早的吸热式气氛发生炉主要
2、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第2章 可控气氛热处理技术设备 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第2章 可控气氛热处理技术可控气氛在热处理中的应用可控气氛在热处理中的应用 渗碳渗碳 高温渗碳是渗碳技术发展趋势之一。碳氮共渗碳氮共渗 碳氮共渗温度比渗碳低，工件畸变小6第2章 可控气氛热处理技术7 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
3、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 2.1 渗碳技术初步渗碳技术初步第2章 可控气氛热处理技术82.1 2.1 渗碳技术初步渗碳技术初步一一 渗碳的定义、目的及分类渗碳的定义、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，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
4、，可分为分类：根据所用渗剂在渗碳过程中聚集状态的不同，可分为 固体渗碳法固体渗碳法 液体渗碳法液体渗碳法 气体渗碳法气体渗碳法第2章 可控气氛热处理技术9二二 固体渗碳法固体渗碳法 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。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（渗碳剂：一定大小的固体炭粒和催渗剂（e.g.e.g.碳酸盐碳酸盐）渗碳反应：渗碳反应：NaNa2 2COCO3 3 Na Na2 2O+COO+CO2 2 or C+Oor C+O2 2 CO CO2 2 C C +CO+CO2 2 2CO
5、 2CO 2CO CO 2CO CO2 2+C+C（活性碳原子活性碳原子）特点：设备便宜，工艺简单，历史较长特点：设备便宜，工艺简单，历史较长 适合多种少量生产适合多种少量生产 热源多样，过程不可控，不适于连续大批量生产热源多样，过程不可控，不适于连续大批量生产第2章 可控气氛热处理技术10三三 液体渗碳法液体渗碳法 定义：定义：在能析出在能析出活性碳原活性碳原子的子的盐浴盐浴中进行的渗碳工艺。中进行的渗碳工艺。渗碳剂：氰化盐（渗碳剂：氰化盐（以以700700为界，上以渗碳为主，下以渗氮为主为界，上以渗碳为主，下以渗氮为主）渗碳反应：渗碳反应：NaCN+ONaCN+O2 2 NaCNO or
6、NaCN+CO NaCNO or NaCN+CO2 2 NaCNO+CO NaCNO+CO NaCNO NaCO NaCNO NaCO3 3+CO+N+CO+N 特点：加热迅速均匀，可直接淬火特点：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，渗剂组成易变动渗剂易劣化，遇水强烈反应，渗剂组成易变动第2章 可控气氛热处理技术11四四 气体渗碳法气体渗碳法 定义：定义：工件在气体介质中进行的渗碳工艺工件在气体介质中进行的渗碳工艺 渗剂：渗剂：碳氢化合物有
7、机液体（碳氢化合物有机液体（e.g.e.g.煤油煤油 丙酮丙酮）渗碳气氛（渗碳气氛（预生成和直生式预生成和直生式）渗碳反应：渗碳反应：CO C+COCO C+CO2 2 H H2 2+CO C+H+CO C+H2 2O O CH CH4 4 C+H C+H2 2 C C2 2H H6 6 C+CH C+CH4 4+H+H2 2 C C3 3H H8 8 C+C C+C2 2H H6 6+H+H2 2 特点：适于大量生产，易实现自动化特点：适于大量生产，易实现自动化 可调节表面碳浓度（可调节表面碳浓度（Control）设备昂贵，投资大设备昂贵，投资大第2章 可控气氛热处理技术五、国外渗碳工艺的新
8、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第2章 可控气氛热处理技术1.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23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。13第2章 可控气氛热处理技术14AlSIlOl8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。第2章 可控气氛热
9、处理技术2.钢件的深层渗碳 机械零件常规渗碳层深度为0.81.2 mm，加机械零件的冷加工裕量，相应深度为1.31.7 mm。这样，渗碳深度大于1.8 mm零件的渗碳应属于深层渗碳范围。15第2章 可控气氛热处理技术 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。16第2章 可控气氛热处理技术3.高浓度渗碳 常规渗碳件表面的含碳量一般为0.81.0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
10、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第2章 可控气氛热处理技术 日本学者SNakamura等，IMachida等和TMoritov等分别在2002、2008和2010年在美国申请高浓度渗碳专利(US20020050307A1，US20080156399A1和US20100126632A1)，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。18第2章 可控气氛热处理技术 4.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(no
11、n-equilibrium boost-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。19第2章 可控气氛热处理技术20 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SNCM 220高浓度渗碳后的组织(对应的有效硬化层深为1.20 mm)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。第2章 可控气氛热处理技术21。SUS304不锈钢1050渗碳后的组织及硬度梯
12、度曲线和汽车部件的装料。第2章 可控气氛热处理技术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第2章 可控气氛热处理技术 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
13、年工程材料成就奖。23第2章 可控气氛热处理技术24日本Air Water公司 316钢在470 20 h渗碳第2章 可控气氛热处理技术251 1发展历史发展历史 2020世纪世纪3030年代开始工业应用（仅炉温和时间可控）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）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滴注式可控气氛的出现 氧浓差电池氧浓差电池+红外分析仪红外分析仪 PLC+计算机计算机 2.2 2.2 可控气氛热处理的概述可控气氛热处理的概述第2章 可控气氛热处理技术262 2滴注式可控气氛滴注式可控气氛 工艺过程：工艺过程：一般采用两种有机液
14、体同时滴入炉内，一种液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，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。可控制零件的表面含碳量。第2章 可控气氛热处理技术273 3吸热式可控气氛吸热式可控气氛 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（一定比例的空气混合，再通过加热到高温（10001000以上以上）加）加入催化剂，使
15、混合气体的未燃部分（入催化剂，使混合气体的未燃部分（当空气量较少时，混合当空气量较少时，混合气体先部分燃烧气体先部分燃烧）热裂解（吸热反应）而制得。）热裂解（吸热反应）而制得。放热式可控气氛放热式可控气氛 工艺过程：在发生器中工艺过程：在发生器中,把天然气、液化石油气等气体燃料或酒精、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(放热放热反应反应)，再对燃烧产物进行初步净化，再对燃烧产物进行初步净化(除水除水)或高度净化或高度净化(除水、二除水、二氧化碳和一氧化碳氧化碳和一氧化碳)而制得的气体。而制得
16、的气体。第2章 可控气氛热处理技术28一一 概述概述 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（氧势：采用氧探头测定（P Pt t对对CHCH4 4分解的强催化作用）分解的强催化作用）CO CO：随渗碳温度和时间改变，采用红外分析仪分析随渗碳温度和时间改变，采用红外分析仪分析 应用依据：渗碳试验应用依据：渗碳试验 2.3 2.3 直生式渗碳技术直生式渗碳技术212)(OcostatcPPtKa第2章 可控气氛热处理技术29二二
17、直生式气氛直生式气氛 1.1.燃料种类：气体或液体燃料种类：气体或液体 常见的有天然气、丙烷、丙酮、异丙醇常见的有天然气、丙烷、丙酮、异丙醇 2.2.气体组成：主要组分为气体组成：主要组分为CO,HCO,H2 2和和CHCH4 4 直生式气氛的组成与燃料种类、燃料与空气的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。比例以及炉内温度等有关。气氛中含有较高的气氛中含有较高的CHCH4 4，气氛组成（尤其是，气氛组成（尤其是CHCH4 4含量）受温度含量）受温度影响较大。自然气影响较大。自然气/空气类型的直生式气氛由于过高的空气类型的直生式气氛由于过高的CHCH4 4含含量，在
18、量，在850850以下已无法获得实际应用。以下已无法获得实际应用。第2章 可控气氛热处理技术30三、优势三、优势a.a.碳传递系数（碳传递系数（）高：）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，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。加大工件表层的浓度梯度，增加渗速和渗层厚度。b.b.碳可用量高碳可用量高 含有高浓度的含有高浓度的CHCH4 4，保证渗碳的均匀性，尤其有利于零件外，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形复杂、装载密度较大、气氛循环状况较差的条件第2章 可控气氛热处
19、理技术31 c c、控制方式简单迅速高效：、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。是调节燃料流量时，产生炭黑的危险较大。d d、调节时间较短调节时间较短 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。气是气体，在裂化过程中很多气源还
20、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。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，（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（其裂解中变生的活性碳（CH4Cad+H2CH4Cad+H2）就能直接渗碳，有些气源）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。本身就有氧，或者分子链太长要裂解必需较多氧的参与。第2章 可控气氛热处理技
21、术32四、注意问题四、注意问题1.1.内氧化问题（合金元素内氧化问题（合金元素CrCr、MnMn、SiSi在渗碳亚表层的局部氧化）在渗碳亚表层的局部氧化）渗碳气氛中的渗碳气氛中的COCO分解为分解为CC和和O O，两种原子在钢内扩散，发，两种原子在钢内扩散，发生渗碳反应和局部氧化反应。局部氧化反应随生渗碳反应和局部氧化反应。局部氧化反应随COCO浓度变化而发浓度变化而发生变化生变化 控制气氛中的控制气氛中的COCO浓度浓度2.2.气氛制备气氛制备 液体原料入炉前需先经过炉顶蒸发器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控制空气流量来控制碳势3.3.对加热设备的要求对加热设备的要
22、求 加热能力（甲烷和丙烷与空气反应为吸热）加热能力（甲烷和丙烷与空气反应为吸热）气体循环能力气体循环能力 第2章 可控气氛热处理技术33直生式渗碳气氛中直生式渗碳气氛中CHCH4 4存在的影响有哪些？存在的影响有哪些？第2章 可控气氛热处理技术34一一 工艺简介工艺简介 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。渗剂，使工件在设定的气氛中加热。二二 工艺原理工艺原理 无含氧气体，不可进行碳势控制无含氧气体，
23、不可进行碳势控制 1.1.质量传输：碳质量流的密度质量传输：碳质量流的密度 m mc c：单位表面积和单位时间单位表面积和单位时间内进入材料的碳量内进入材料的碳量 2.2.碳扩散：温度决定碳扩散：温度决定2.4 2.4 低压渗碳技术（低压渗碳技术（LPCLPC）第2章 可控气氛热处理技术35三三 工艺特点工艺特点 a a、实现少无氧化加热，能耗低、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，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
24、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(或保护气或保护气氛炉氛炉)减少减少50%50%以上。以上。b b、渗剂传递迅速，覆盖面广，渗层均匀、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。生产。2.
25、4 2.4 低压渗碳技术（低压渗碳技术（LPCLPC）第2章 可控气氛热处理技术36 c c、高效迅速，工艺周期短、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。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。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
26、真空变压设备可随时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。迅速把炉压调至渗速最高的范围，从而缩短工艺周期。d d、可将渗碳与气淬结合、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，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。同时防止炭黑的产生。第2章 可控气氛热处理技术37四四 具体工艺具体工艺真空低压乙炔渗碳真空低压乙炔渗碳 产生背景：以丙烷为渗剂时，当温度高于产生背景：以丙烷为渗剂时，当温度高于600600，丙烷易分，丙烷易分解为解为C,HC,H2 2和和CHC
27、H4 4，可致零件表面产生炭黑，在炉子内腔和泵管，可致零件表面产生炭黑，在炉子内腔和泵管产生焦油产生焦油 工艺特点：工艺特点：高温渗碳能力强高温渗碳能力强,低压下不产生焦油和炭黑低压下不产生焦油和炭黑温温度度T=900-1000 压压力力P2103Pa第2章 可控气氛热处理技术38一一 关于渗碳钢关于渗碳钢 1.1.低碳：含碳量一般为低碳：含碳量一般为0.1-0.25%0.1-0.25%，以保证心部有足够的塑性，以保证心部有足够的塑性 和韧性，碳高则心部韧性下降。和韧性，碳高则心部韧性下降。2.2.合金元素：主加元素为合金元素：主加元素为CrCr、MnMn、NiNi、B B等，它们的主要作用等
28、，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 辅加元素为辅加元素为W W、MoMo、V V、TiTi等强碳化物形成元素，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这些元素通过形成稳定的碳化物阻止A A晶粒长大晶粒长大 进而细化进而细化A A晶粒，同时还能提高渗碳层的耐磨性。晶粒，同时还能提高渗碳层的耐磨性。2.5 2.5 高温渗碳技术高温渗碳技术 第2章 可控气氛热处理技术39二二 高温渗碳的产生背景高温渗碳的产生背景 成本高成本高 渗碳淬火工艺的局限性渗碳淬火工艺的局限性 能耗高能耗高 时间长时间长 目前的渗碳工艺组成：渗碳
29、过程目前的渗碳工艺组成：渗碳过程+直接淬火直接淬火 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。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。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扩散取决于温度和浓度梯度dsdtdXdCDGd第2章 可控气氛热处理技术40提高渗碳温度可以缩短处理时间。提高渗碳温度可以缩短处理时间。1.1.对渗碳钢进行奥氏体化退火处理，可以测出其最佳的渗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碳
30、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。时间。2.2.添加适当的化学成分，提高钢的添加适当的化学成分，提高钢的A A3 3温度。温度。第2章 可控气氛热处理技术41三三 高温渗碳的技术要点高温渗碳的技术要点 1.1.奥氏体化温度和保温时间影响晶粒的长大。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；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；低温奥氏体化过程中，保温时间增加，晶粒开始长大；F F、G G、H H、I I钢的奥氏体化温度由于合金元素的存在，可以钢的奥氏体化温度由于合金元
31、素的存在，可以 提高到提高到1000 1000 而不发生晶粒长大。而不发生晶粒长大。2.2.渗碳剂碳势的高低会影响表面渗碳层的硬度。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。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。降的现象。高碳势渗碳剂的渗碳效果也取决于合成成分。高碳势渗碳剂的渗碳效果也取决于合成成分。第2章 可控气氛热处理技术422 2 可控气氛热处理技术
32、可控气氛热处理技术渗碳渗碳一一 渗碳知识初步渗碳知识初步 1.1.定义：钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子深入表面，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获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺 2.2.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劳强度和抗疲劳强度 3.3.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 固体渗碳法固体渗碳法 液体渗碳法液体渗碳法 (700700)气体渗碳法气体渗碳
33、法 4.4.过程：分解过程：分解吸收吸收扩散扩散 CC第2章 可控气氛热处理技术43二二 可控气氛热处理技术可控气氛热处理技术 碳活度（碳势）方程的建立碳活度（碳势）方程的建立 1.1.产生基础：产生基础：氧浓差电池氧浓差电池+红外分析仪红外分析仪 2.2.生产现状生产现状:气体渗碳气氛的多样化气体渗碳气氛的多样化 滴注式气氛滴注式气氛 吸热式气氛吸热式气氛 放热式气氛放热式气氛 直生式气氛直生式气氛 第2章 可控气氛热处理技术44滴注式可控气氛滴注式可控气氛 工艺过程：工艺过程：一般采用两种有机液体同时滴入炉内，一种液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
34、，另一种液体产生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，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。可控制零件的表面含碳量。第2章 可控气氛热处理技术45吸热式可控气氛吸热式可控气氛 工艺过程：在工艺过程：在发生器发生器中，把天然气、液化石油气等气体与中，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（一定比例的空气混合，再通过加热到高温（10001000以上以上）加）加入催化剂，使混合气体的未燃部分（入催化剂，使混合气体的未燃部分（当空气量较少时，混合当空气量较少时，混合气体先部分
35、燃烧气体先部分燃烧）热裂解（吸热反应）而制得。）热裂解（吸热反应）而制得。第2章 可控气氛热处理技术46放热式可控气氛放热式可控气氛 工艺过程：在工艺过程：在发生器发生器中中,把天然气、液化石油气等气体燃料把天然气、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完全燃烧(放热反应放热反应)，再对燃烧产物进行初步净化，再对燃烧产物进行初步净化(除水除水)或高度净化或高度净化(除水、二氧化碳和一氧化碳除水、二氧化碳和一氧化碳)而制得的气体。而制得的气体。第2章 可控气氛热处理技术47 1.1.产生背景：碳活度公式在不
36、平衡气氛中的扩展应用产生背景：碳活度公式在不平衡气氛中的扩展应用 2.2.燃料种类：气体或液体（天然气、丙烷、丙酮、异丙醇）燃料种类：气体或液体（天然气、丙烷、丙酮、异丙醇）3.3.气氛组成：主要为气氛组成：主要为CO,HCO,H2 2和和CHCH4 4 气氛组成不稳定，受炉温及气体种类影响气氛组成不稳定，受炉温及气体种类影响三三 直生式渗碳技术直生式渗碳技术第2章 可控气氛热处理技术484.4.优势优势 a a、碳传递系数（、碳传递系数（）高：）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
37、度增加，渗层深度提高。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 b、碳可用量高：、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大、气氛的循环状况较差的情况下第2章 可控气氛热处理技术49 c c、控制方式简单迅速高效：、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
38、节燃料流量时，产生炭黑的危险较大。是调节燃料流量时，产生炭黑的危险较大。d d、调节时间较短调节时间较短 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。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。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，（除煤气）
39、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（其裂解中变生的活性碳（CH4Cad+H2CH4Cad+H2）就能直接渗碳，有些气源）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。本身就有氧，或者分子链太长要裂解必需较多氧的参与。第2章 可控气氛热处理技术50 1.1.工艺过程：工艺过程：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。设定的气氛中加热
40、。2.2.工艺特点工艺特点 a a、实现少无氧化加热，能耗低、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，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(或保护气或保护气氛炉氛炉)减少减少50%50%以上。以上。四四 真空低压渗碳技术（真空低压渗碳技术（LPCLPC）第2章 可控气氛热处理技术51 b b、渗剂传递迅速，覆盖面广，渗层
41、均匀、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。生产。c c、高效迅速，工艺周期短、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在质量上和数目上
42、予以精控(质量上控制就是控制炉气各成分的百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。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。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。迅速把炉压调至渗速最高的范围，从而缩短工艺周期。第2章 可控气氛热处理技术52 d d、可将渗碳与气淬结合、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
43、气体和能量的消耗，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。同时防止炭黑的产生。3.3.真空低压乙炔渗碳真空低压乙炔渗碳 产生背景：产生背景：以丙烷为渗剂时，当温度高于以丙烷为渗剂时，当温度高于600600，丙烷易分解为，丙烷易分解为C,C,H H2 2和和CHCH4 4，可致零件表面产生炭黑，在炉子内腔和泵管，可致零件表面产生炭黑，在炉子内腔和泵管 产生焦油产生焦油 工艺特点：工艺特点：高温渗碳能力强，低压下基本不产生焦油和炭黑高温渗碳能力强，低压下基本不产生焦油和炭黑第2章 可控气氛热处理技术53五五 高温渗碳淬火技术高温渗碳淬火技术 A A晶粒度晶粒度 1.1.产生背景产生背景:渗碳淬火工艺的局限性渗碳淬火工艺的局限性 能耗（渗碳时间）能耗（渗碳时间）2.2.注意要点：注意要点：a a、合金元素存在对奥氏体化温度的影响、合金元素存在对奥氏体化温度的影响 b b、渗碳时间及渗碳剂碳势对表面层硬度的影响、渗碳时间及渗碳剂碳势对表面层硬度的影响
