12鋼的化學熱處理課件

第十一章

鋼的化學熱處理

材料與冶金學院李偉第十一章

鋼的化學熱處理

材料與冶金學院

主要內(nèi)容

11.1概述11.2化學熱處理的原理及過程11.3鋼的滲碳11.4鋼的滲氮11.5鋼的碳氮共滲11.6滲硼及金屬11.7輝光放電離子化學熱處理

主要內(nèi)容1.概念將金屬或合金工件放在特定的活性介質(zhì)中加熱到一定溫度，使工件表面與周圍介質(zhì)相互作用，一種或幾種化學元素的原子或離子擴散并滲入工件的表層，使其表面的化學成分發(fā)生改變，并配以不同的后續(xù)熱處理，改變其金相組織與性能的一種熱處理工藝。簡單說是向鋼的表面滲入某種元素的熱處理工藝。注意：化學熱處理既改變表面的化學成分，又改變其組織?；瘜W熱處理后滲層與基體金屬之間無明顯的分界面，由表面向內(nèi)部其成分、組織與性能是連續(xù)過渡的。11.1概述1.概念11.1概述其表面和心部具有不同的化學成分、組織、性能，從而獲得單一材料難以獲得的性能。1）提高材料的表面硬度和耐磨性。碳鋼滲C或C、N共滲→（淬火）獲得表面高硬度、耐磨性，心部保持良好的塑韌性。2）提高材料抗交變載荷的疲勞強度。滲氮（軟N化或離子滲N）→表面形成壓應(yīng)力層，抗疲勞性能大幅提高。3）增強材料的耐蝕性和耐熱性能。滲Al→提高工件表面抗氧化、抗腐蝕的能力。2.目的其表面和心部具有不同的化學成分、組織、性能，從而獲得單以滲入元素命名：滲金屬，滲非金屬。1）滲入非金屬元素：

單元滲：C、N、B、O、S、Si等；多元滲：C＋N、O＋N、O＋C＋N2）滲入金屬元素：

單元滲：Al、Cr、Ti、Nb、V、Zn多元滲：Al＋Si、Al＋Cr、Al＋V、Al＋Cr＋Si3.分類以滲入元素命名：滲金屬，滲非金屬。1）滲入非金屬元素：

3）滲入元素對表面性能作用分類：

提高滲層強度及耐磨性→滲C、N、B、Nb、V等。

高抗氧化、耐高溫→Al、Cr。

提高抗嚙合、抗擦傷→滲S、N、磷化等。

提高抗腐性能→滲N、滲Si、滲Zn。4）介質(zhì)的物理狀態(tài)分：

固體―如固體滲C、固體滲B等。

液體―如鹽溶爐滲B或B、C、N共滲等，滲Al等金屬氣體―氣體滲C和C、N共滲。3）滲入元素對表面性能作用分類：

提高滲層強度及耐磨性→滲C4.特點1）不受工件幾何形狀的限制任何幾何形狀復雜的工件經(jīng)過化學熱處理后，均可獲得沿其輪廓分布的均一的表面化學熱處理層。2）具有較好的工藝性如開裂傾向較??；處理溫度范圍較寬；對冷卻介質(zhì)的敏感性較小等。4.特點1）不受工件幾何形狀的限制任何幾何形狀復雜的工件經(jīng)過3）經(jīng)濟效果好4）能獲得具有特殊性能的表面層廉價的鋼材經(jīng)化學熱處理后可獲得表面性能高的工件。經(jīng)化學熱處理的碳鋼件的表層性能不亞于同類合金鋼的性能。如耐腐蝕性、耐磨性等3）經(jīng)濟效果好4）能獲得具有特殊性能的表面層廉價的鋼材經(jīng)化學11.2基本原理及過程一、化學熱處理的基本過程基本過程——大致分為三個階段：1.分解階段：滲劑中的化學反應(yīng)分解出滲入元素的活性原子。2.吸收階段：活性原子被金屬表面吸收3.擴散階段：滲入原子在金屬基體內(nèi)達到一定濃度后從工件表面向內(nèi)部擴散。11.2基本原理及過程一、化學熱處理的基本過程1、滲劑分解滲劑一般由含有被滲元素的物質(zhì)組成，有時加入一定量的催滲劑，催化滲劑分解反應(yīng)。滲劑必須具有一定活性。滲劑活性：在相界面反應(yīng)中易于分解出被滲元素原子的能力。如920-930℃，含碳或含氮介質(zhì)的分解：

2CO→CO2+[C]CH4→2H2+[C]2NH3→3H2+2[N]1、滲劑分解如920-930℃，含碳或含氮介質(zhì)的分解：化學熱處理時滲劑分解出被滲元素活性原子的反應(yīng)有：1）置換反應(yīng)：滲金屬時，2）還原反應(yīng)：如滲金屬時，3）氧化反應(yīng)：如滲碳時，

4）分解反應(yīng)：如普通氣體滲碳、滲氮時，滲劑的反應(yīng)類型：化學熱處理時滲劑分解出被滲元素活性原子的反應(yīng)有：滲劑的反應(yīng)類催化劑：是促進含有被滲元素的物質(zhì)分解或產(chǎn)生出活性原子的物質(zhì)。例如：滲碳時除木炭外加碳酸鋇或碳酸鈉界面反應(yīng)：滲劑的性能：1）經(jīng)物理化學反應(yīng)后，應(yīng)能夠持久的產(chǎn)生足夠數(shù)量能使被滲金屬吸收的活性原子或活性物質(zhì)。2）成分應(yīng)穩(wěn)定，能長期有效的提高活性原子，具有可控性和可調(diào)節(jié)性。3）良好的安全性、無害性，成本低廉，使用方便。催化劑：是促進含有被滲元素的物質(zhì)分解或產(chǎn)生出活性界面反應(yīng)：滲2.吸附過程及影響因素固體表面對氣相的吸附作用按其作用力的性質(zhì)不同可分為物理吸附和化學吸附兩類。1）物理吸附：沒有電子轉(zhuǎn)移和化學鍵生成的吸附現(xiàn)象。這種吸附能迅速達到平衡，并在較低溫度下發(fā)生。溫度升高時吸附量下降，溫度下降時吸附量又增加。2）化學吸附：當氣體（吸附質(zhì)）與金屬表面（吸附劑）接觸時二者以高速發(fā)生反應(yīng)形成化學鍵，即發(fā)生電子交換，組成離子鍵結(jié)合或共價鍵結(jié)合叫化學吸附?；瘜W吸附在低溫時速度較小，隨溫度升高明顯增大，這種吸附可以使分子解離。2.吸附過程及影響因素固體表面對氣相的吸附作用吸附是物質(zhì)在相界面上自動聚集的過程。吸附過程并非在固體表面均勻進行，吸附中心往往出現(xiàn)在表面的一些缺陷處。吸收過程就是活性原子由鋼的表面進入晶格形成固溶體的過程。鋼的表面上存在大量的位錯和晶界，為活性原子的滲入提供了方便的通道。Fe·[C]吸附→Fe·C溶

3Fe·[C]吸附→Fe3C溶解化合Fe·[C]吸附→Fe·C溶3Fe·[C]吸附→擴散指金屬表面溶入被滲元素后，該元素濃度增加，形成濃度梯度，發(fā)生遷移現(xiàn)象。在一定的溫度下，原子沿著濃度梯度下降的方向作定向擴散，形成一定厚度的擴散層。純擴散滲入元素原子在母相金屬中形成固溶體,在擴散過程中不發(fā)生相變或化合物的形成和分解。純擴散常發(fā)生在化學熱處理的初期，或滲劑的活性不足以形成飽和濃度的場合。如滲碳。反應(yīng)擴散指通過擴散使固溶體溶質(zhì)組元的濃度超過固溶度極限而形成新相的過程。3.化學熱處理的擴散過程擴散指金屬表面溶入被滲元素后，該元素濃度增加，形成在化學熱處理中，滲入元素原子在金屬中形成的固溶體有兩種：當滲入元素為原子半徑較小的非金屬元素（C、N、B)時，其與金屬形成間隙固溶體；當滲入元素是金屬元素時，其與原金屬形成置換固溶體（鋁、鉻、硅、鋅等）。在化學熱處理中，滲入元素原子在金屬中形滲層指在鋼的表面滲入某種元素后，從表面向內(nèi)保持該元素較高濃度的距離。（2）影響滲層深度的因素：20MnSi930℃滲碳10h后硬度滲層指在鋼的表面滲入某種元素后，從表面向內(nèi)保持1）滲層深度與擴散時間的關(guān)系說明滲層深度δ與時間t呈拋物線關(guān)系；即延長化學熱處理時間，相鄰區(qū)域的濃度差減小，擴散速度逐漸降低；隨時間延長，擴散濃度的增加值也越來越少（先快后慢）。1）滲層深度與擴散時間的關(guān)系2）擴散層的組織結(jié)構(gòu)擴散層的組織結(jié)構(gòu)可以根據(jù)基體金屬與滲入元素的合金狀態(tài)圖及擴散條件來確定。2）擴散層的組織結(jié)構(gòu)擴散層的組織結(jié)構(gòu)可以根據(jù)基體擴散層形成規(guī)律（滲劑B向金屬A擴散為例）

T1CmCminAT/℃Cmax1234CmCminCmaxAnBm由表至里距離AnBmAnBm′α表面αAAnBm′αAAnBm′αAAnBmT1溫度下擴散層組織變化過程擴散層形成規(guī)律（滲劑B向金屬A擴散為例）T1CmCminAT12鋼的化學熱處理課件化學熱處理進行的條件:滲入元素的原子必須是活性原子,而且具有較大的擴散能力零件本身具有吸收滲入原子的能力,即對滲入原子有一定的溶解度或能與之化合,形成化合物。分解、吸收、擴散三者的協(xié)調(diào)進行是確?；瘜W熱處理成功進行的關(guān)鍵?；瘜W熱處理進行的條件:滲入元素的原子必須是活性原子,而且具1、化學催滲法概念：是在滲劑中加入一種或幾種化學試劑或物質(zhì)，促進滲劑的分解，去除表面鈍化膜，改善工件表面活化狀態(tài)，以提高滲劑活性和增加活性原子的濃度。從而提高滲入能力。分類：1)提高滲劑活性的催滲方法：如，固體滲碳時滲劑加入Na2CO3，氣體滲碳時加入苯或丙酮等。二、加速化學熱處理過程的途徑1、化學催滲法二、加速化學熱處理過程的途徑2）鹵化物催滲法：如，氣體氮化時，加入TiCl4或NH4Cl，在氮化溫度下分解出HCl或Cl2，破壞工件表面的氧化膜，活化表面，促進吸附，加速滲氮。3）稀土催滲：滲劑中加入稀土或稀土鹵化物，稀土原子的滲入能改變基體金屬的的晶體結(jié)構(gòu)和亞結(jié)構(gòu)，其空位、位錯環(huán)、層錯等晶體缺陷增加，增加擴散通道，加速擴散。2、物理催滲法概念：是利用改變溫度、氣壓，或利用特定的物理場（等離子場、真空、高頻電磁場等），加速滲劑的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，及加速滲入元素的擴散等，加速化學熱處理的過程，提高滲速。2）鹵化物催滲法：如，氣體氮化時，加入TiCl4或NH4Cl基本方法：1)高溫化學熱處理：對化學熱處理的各個環(huán)節(jié)均有促進作用，有效加速全過程。2)真空化學熱處理：真空作用下工件表面凈化，吸附能力提高，濃度梯度增大，且可采用較高的溫度，提高擴散速度，加快滲速。3)離子轟擊化學熱處理：在低于1大氣壓的含有欲滲元素氣相介質(zhì)中，利用工件與陽極之間產(chǎn)生輝光放電的同時滲入欲滲元素原子的工藝。滲速快，質(zhì)量好，無污染?；痉椒ǎ?)離子轟擊化學熱處理：在低于1大氣壓的含有欲滲元11.3鋼的滲碳概念：

將鋼件在碳的活性介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入表層的一種表面化學熱處理工藝。基本思路：在Fe-C相圖中，α-Fe中碳的最大溶解度0.02%，而γ-Fe中碳的最大溶解度達到2.11%，相差100倍，希望在高溫下滲碳，低溫淬火，以期獲得最高強度和最大表面硬度。目的：提高零件的表面硬度、耐磨性；高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度；心部保持良好的塑性與韌性。11.3鋼的滲碳概念：分類：按滲碳介質(zhì)狀態(tài)不同，分為固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳。以氣體滲碳應(yīng)用最廣泛。滲碳的材料

含碳量為0.1－0.3％的低碳鋼或合金鋼。

低淬透性、低強度15、20、25中等強度，淬透性20Cr、20Mn2、20MnV高強度，淬透性20CrMnTi、20CrMnMo等。

超高強度20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA

分類：低淬透性、低強度二、滲碳原理1.滲碳反應(yīng)與過程1）滲碳反應(yīng)：最主要的滲碳組分為CO和CH4，在工件表面通過反應(yīng)生成活性碳原子[C].2）滲碳過程：滲劑中形成CO和CH4等組分；CO和CH4等組分在工件表面吸附、反應(yīng)，產(chǎn)生活性碳原子滲入表面，副產(chǎn)物CO2和H2O離開表面；滲入C原子向內(nèi)擴散形成一定碳濃度梯度的滲碳層。二、滲碳原理1.滲碳反應(yīng)與過程2）滲碳過程：滲劑中形成CO3）滲碳過程的主要參數(shù)①碳勢Cp：指滲碳氣氛在一定溫度下與鋼件表面達到動態(tài)平衡時鋼表面的碳含量，碳勢高低反映了滲碳能力的強弱。Cp↑→滲碳能力↑→表面C%↑、滲層↑但是當Cp太高→炭黑→滲速↓工件Cp<氣氛Cp，滲碳；工件Cp>氣氛Cp，脫碳②碳活度ac：相同溫度下，鋼奧氏體中C的飽和蒸汽壓與以石墨為標準態(tài)的C的飽和蒸汽壓之比。其物理意義為A中C的有效濃度，其大小與A中C含量有關(guān)。

fc——活度系數(shù)，與滲碳溫度、合金元素種類及含量有關(guān)3）滲碳過程的主要參數(shù)Cp↑→滲碳能力↑→表面C%↑、滲層③碳傳遞系數(shù)β：表征滲碳界面反應(yīng)速度的常數(shù)，也稱C的傳輸系數(shù)（cm/s）：

J/——碳通量，g/(cm2·s)物理意義：單位時間內(nèi)氣氛傳遞到工件表面單位面積的碳量（碳通量）與氣氛碳勢和工件表面碳含量之間差值（Cp-Cs）之比，與滲碳溫度、滲碳介質(zhì)、滲碳氣氛等有關(guān)。④碳的擴散系數(shù)D：與滲碳溫度、A中碳濃度和合金元素種類及含量有關(guān)，其中滲碳溫度影響最大。D=0.162exp(-16575/T)③碳傳遞系數(shù)β：表征滲碳界面反應(yīng)速度的常數(shù)，也稱C的傳輸系數(shù)2.影響滲碳速度的因素滲碳深度d可近似計算：1）滲碳溫度的影響滲碳溫度升高，擴散系數(shù)增大，滲速加快，但溫度過高會造成晶粒長大。表面濃度愈高，相同擴散時間條件下，滲層深度愈深。2.影響滲碳速度的因素滲碳溫度升高，擴散系數(shù)增大，滲速加快，2）滲碳時間的影響滲層深度隨時間的延長而增大，對于淺層滲碳，滲碳時間短不利于控制滲層深度。3）碳勢的影響滲碳介質(zhì)的碳勢越高，滲碳速度越快，但滲層碳濃度的梯度增大，碳勢過高還會在工件表面積碳。2）滲碳時間的影響滲層深度隨時間的延長而增大，對于淺層滲碳，3.氣體滲碳中碳勢的測量與控制露點儀（氯點儀）露點：氣氛中水蒸汽開始凝結(jié)成露的溫度，氣氛中水蒸汽%↑→露點↑→Cp↓原理：LiCl鹽感濕元件吸水→導電性↑→控制系統(tǒng)通電→水蒸發(fā)CO2紅外儀原理：CO2選擇性吸收4.3μm紅外線→紅外線強度↓→調(diào)節(jié)裝置控制氧探頭原理：O2↑

→CO2↑、H2O

↑→Cp↓ZrO氧敏陶瓷管內(nèi)、外氧%不同（內(nèi)為參比氣、外為爐氣）→氧濃差電勢→調(diào)控3.氣體滲碳中碳勢的測量與控制露點儀（氯點儀）稱重法：精密天平測量滲碳前、后的重量變化碳勢的控制：一定工藝條件下，采用雙參數(shù)（CO-O2、CO2-CO等）控制碳勢可獲得較好結(jié)果，當爐氣成分基本不變時，可采用單參數(shù)控制碳勢。分析對象反應(yīng)時間精度露點儀H2O3~4min±1.5%℃紅外儀CO、CO2、CH415s±1%℃氧探頭O20.5~2s±1%℃稱重法：精密天平測量滲碳前、后的重量變化分析對象反應(yīng)時間精度1.固體滲碳法固體滲碳過程主要由下列步驟組成：①在灼熱的固體碳表面上，CO2與碳反應(yīng)生成CO；②在金屬工件表面，CO分解析出活性碳原子；③活性碳原子被工件表面吸收，并向內(nèi)部擴散。三、滲碳方法1.固體滲碳法固體滲碳過程主要由下列步驟組成：三、滲碳方法1）固體滲碳劑固體滲碳劑主要由供碳劑、催化劑組成。供碳劑一般為木炭、焦炭；催化劑一般是碳酸鹽。木炭與滲碳箱內(nèi)的氧氣發(fā)生反應(yīng)：C+O2→CO2,CO2+C→2CO2CO→CO2+[C]催化劑的反應(yīng)為：BaCO3→BaO+CO2,CO2+C→2CONa2CO3→Na2O+CO2,CO2+C→2CO1）固體滲碳劑2）固體滲碳工藝把工件埋入滲碳箱中，四周填滿固體滲碳劑，并用蓋和耐火泥將箱密封，然后送入加熱爐中，加熱至滲碳溫度(900～960°C)，保溫一定時間后出爐，即得所需樣品。2）固體滲碳工藝把工件埋入滲碳箱中，四周填滿固體滲碳滲碳溫度：900-9600C，有利于C的擴散，溫度太高，A晶粒長大，降低加熱爐和滲碳箱壽命。滲碳時間：根據(jù)滲碳層深度要求、滲碳劑成分、工件裝箱量等具體情況而定。常用試棒檢查滲碳效果。滲碳劑：要求表面含碳量高、滲層深，選擇活性高的滲碳劑，反之選擇活性低的滲碳劑。優(yōu)點：不需要專門的滲碳設(shè)備，操作簡單，成本低，大小零件都能用。缺點：滲速慢，滲碳時間長，滲層不易控制，不能直接淬火，勞動條件差，效率低。滲碳溫度：900-9600C，有利于C的擴散，溫度太高，A晶2.液體滲碳法在能析出活性原子的鹽浴中進行的滲碳工藝。1)、液體滲碳用鹽液體滲碳鹽浴一般由中性鹽、催化劑和供碳劑組成，中性鹽（NaCl、KCl等）一般不參與滲碳反應(yīng)，主要起調(diào)整鹽浴密度、熔點和流動性的作用。催化劑一般采用碳酸鹽，Na2CO3、BaCO3等。傳統(tǒng)的滲碳鹽浴以NaCN為供碳劑，這種鹽浴相對易于控制，滲碳件表面碳含量較穩(wěn)定，但氰鹽有劇毒。近年來發(fā)展了低氰滲碳鹽?。∟aCN含量保持在0.7-2.3%）和無NaCN型滲碳鹽?。ㄓ媚咎糠酆蚐iC作為供碳劑）。2.液體滲碳法在能析出活性原子的鹽浴中進行的滲碳工藝。2)、液體滲碳工藝液體滲碳溫度及鹽浴活性是決定滲碳速度和表面碳含量的主要因素。液態(tài)滲碳的一般溫度為920-940℃，對于滲層薄及變形要求嚴格的工件，可采用較低的滲碳溫度（850～900℃）；對于要求滲層厚者，滲碳溫度要高一些（910～950℃）。溫度一定條件下，滲碳保溫時間由滲層深度決定。3)、液體滲碳優(yōu)缺點優(yōu)點：滲碳速度快，加熱均勻，滲碳后便于直接淬火，適合于處理中、小型零件。缺點：多數(shù)鹽浴有毒。2)、液體滲碳工藝液體滲碳溫度及鹽浴活性是決定滲碳速度和表面3、氣體滲碳概念：把工件放在一定溫度的富碳氣體介質(zhì)中，加熱和保溫進行滲碳的工藝。特點：操作簡便，周期短，質(zhì)量容易控制，勞動條件好。3.氣體滲碳法氣體滲碳示意圖3、氣體滲碳3.氣體滲碳法氣體滲碳示意圖氣體滲碳根據(jù)所用滲碳氣體的產(chǎn)生辦法及種類，可分為滴注式、吸熱式和氮基式三種氣體滲碳方法。1)、滴注式氣體滲碳滴注式氣體滲碳是指將苯、醇、煤油等有機液體直接滴入滲碳爐中裂解進行氣體滲碳的方法。滴注式氣體滲碳，一般采用兩種有機液體同時滴入爐內(nèi)。一種液體高溫下分解產(chǎn)生的氣體碳勢較低，作為稀釋氣體；另一種液體高溫下分解產(chǎn)生的氣體碳勢較高，作為滲碳氣體。氣體滲碳根據(jù)所用滲碳氣體的產(chǎn)生辦法及種類滴注劑的選擇原則：①滲碳能力強，足夠的活性原子用碳氧比與碳當量衡量（液體介質(zhì)）

碳氧比：分子式中碳氧原子數(shù)之比。C/O越大，分解的活性碳原子越多，滲碳能力越強。甲醇CH2OHC/O=1乙醇C2H2OHC/O=2丙酮CH3COCH3C/O=3滴注劑的選擇原則：①滲碳能力強，足夠的活性原子碳當量：產(chǎn)生一克分子碳所需該物質(zhì)的量。碳當量越小，滲碳能力越強。甲醇CH2OH碳當量＝64乙醇C2H2OH碳當量＝46丙酮CH3COCH3碳當量＝29滲碳能力由強至弱順序：丙酮、乙丙酮、乙酸、乙脂、乙醇、甲醇②氣氛成分的穩(wěn)定性③原料經(jīng)濟，來源方便，無公害碳當量：產(chǎn)生一克分子碳所需該物質(zhì)的量。碳當量越小，滲碳能力碳勢調(diào)節(jié)方法：①改變兩種液體的滴入比例來調(diào)節(jié)碳勢。②使用幾種滲碳能力不同的液體，通過改變液滴來調(diào)節(jié)碳勢。滴注式氣體的滲碳過程:分為四個階段：排氣、強滲、擴散及降溫出爐①排氣階段：加大滲碳劑（稀釋劑）滴量，使爐內(nèi)氧化性氣氛迅速減少。②強滲階段：滲碳劑滴量較多，保證爐氣有較高碳勢，以提高滲碳速度。碳勢調(diào)節(jié)方法：③擴散階段：減少滲碳劑滴量，保持預定的碳勢，使表層過剩的碳向內(nèi)部擴散，最后得到要求的深度及合適的碳含量分布。④降溫出爐階段：直接淬火的工件，隨爐冷至適宜的淬火溫度，保溫15～30min后出爐淬火；需重新加熱淬火的工件，自滲碳溫度出爐后在空氣中冷卻。③擴散階段：減少滲碳劑滴量，保持預定的碳勢，使表層過剩的碳向2)、吸熱式氣氛氣體滲碳吸熱式氣氛滲碳時，爐內(nèi)滲碳氣體由吸熱式氣體（CO、H2、N2、H2O、CO2、O2等）加富化氣（CH4、C3H8）組成。吸熱式氣氛由一定比例的原料氣（天然氣、丙烷、丁烷等碳氫化合物）和空氣混合，通過內(nèi)部催化劑、外部加熱的反應(yīng)罐，經(jīng)吸熱反應(yīng)制備所得的氣氛。需要有特殊的氣體發(fā)生設(shè)備，適用大批量生產(chǎn)的連續(xù)作業(yè)爐。吸熱式氣氛的化學反應(yīng)通式：2)、吸熱式氣氛氣體滲碳吸熱式氣氛滲碳時，爐內(nèi)滲碳氣體由吸熱3)、氮基氣氛滲碳氮基氣氛滲碳是一種以純氮為載體，添加碳氫化合物進行氣體滲碳的工藝方法。特點：①不需要氣體發(fā)生裝置。②成分與吸熱式氣氛基本相同，滲碳層深度的均勻性不低于吸熱式氣氛滲碳。③具有與吸熱式氣氛相同的點燃極限，由于N2能自動安全吹滅，故采用氮氣氣氛的工藝具有更大的安全性。④滲碳速度不低于吸熱式氣氛滲碳。3)、氮基氣氛滲碳氮基氣氛滲碳是一種以純氮為載體，添加碳氫化4）、真空滲碳法是一種較新的氣體滲碳工藝。真空滲碳的溫度和適用范圍4）、真空滲碳法是一種較新的氣體滲碳工藝。特點：a由于將滲碳溫度由普通氣體滲碳時900～950°C提高到1030～1050°C以上，以及由于真空加熱的表面凈化作用所造成的表面活化狀態(tài)，使?jié)B碳時間顯著縮短。b.滲碳表面質(zhì)量好，滲碳層均勻，沒有過渡滲碳的危險等，無脫碳現(xiàn)象，工件變形小，節(jié)省能源。c.作業(yè)條件好，如排除了煙、熱對環(huán)境的污染等。特點：四、滲碳工藝規(guī)范總原則：如何以最快的速度、最經(jīng)濟的效果獲得符合要求的滲層。1.滲碳劑消耗量滴注式可控氣氛滲碳：先將滴注劑流量調(diào)整至爐氣達到所需的碳勢，再根據(jù)滲碳過程中碳勢測定的結(jié)果調(diào)整稀釋劑與滲碳劑的比例。吸熱式可控氣氛滲碳：一般稀釋氣體以充滿爐膛，并使爐內(nèi)氣壓較大氣壓高10mm水柱即可，沒每小時所供氣體體積約為爐膛的2.5-5倍體積。富化氣根據(jù)碳勢要求添加。2.滲碳時間根據(jù)滲層深度及碳勢濃度的分布曲線確定。四、滲碳工藝規(guī)范五、滲碳后的熱處理工件滲碳后，表層高碳，心部低碳。為獲得理想的性能，需要進行熱處理。滲碳后熱處理的目的：a.提高工件表面的強度、硬度和耐磨性能；b.提高心部的強度和韌性；c.細化晶粒；d.消除網(wǎng)狀碳化物和減少殘留奧氏體；e.消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸。五、滲碳后的熱處理工件滲碳后，表層高碳，心部低碳。為獲得理想1、直接淬火滲碳后，預冷到一定溫度，立即進行淬火冷卻，這種方法適合于氣體或液體滲碳，固體滲碳不適合。2、一次淬火法工件滲碳后隨爐冷卻到室溫，然后再重新加熱到淬火溫度，經(jīng)保溫后淬火。3、兩次淬火法將滲碳緩冷到室溫的工件進行兩次加熱淬火。注意：淬火后需要進行低溫回火。滲碳后常用熱處理方法：1、直接淬火滲碳后常用熱處理方法：12鋼的化學熱處理課件1.預冷直接淬火定義：工件滲碳后隨爐或出爐預冷到稍高于心部成分的Ar3溫度，然后直接淬火，這種處理方法叫直接淬火法。預冷的目的：減少零件與淬火介質(zhì)的溫差，從而減少淬火應(yīng)力和零件的變形。優(yōu)點：工藝簡單、生產(chǎn)效率高、成本低、氧化脫碳傾向小。缺點：奧氏體晶粒粗大導致淬火后形成粗大的馬氏體，性能下降1.預冷直接淬火適用：過熱傾向小的本質(zhì)細晶粒鋼，如20CrMnTi組織：淬火后（淬透）表面：淬火馬氏體+殘留奧氏體+二次滲碳體。心部：低碳馬氏體回火后表面：回火馬氏體+殘留奧氏體+部分二次滲碳體心部：回火低碳馬氏體適用：過熱傾向小的本質(zhì)細晶粒鋼，如20CrMnTi定義：零件滲碳終了出爐后緩慢冷卻，然后再重新加熱淬火，這種處理方法叫一次加熱淬火法。優(yōu)點：細化滲碳時形成的粗大組織，提高力學性能。淬火溫度的選擇：如果強化心部，則加熱到Ac3以上；如果強化表層，只需加熱到Ac1以上。適用：組織和性能要求較高的零件，生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛2、一次淬火法定義：零件滲碳終了出爐后緩慢冷卻，然后再重新加熱淬火，這種處淬火溫度的選擇要兼顧表面和心部的要求。①心部要求較高強韌性的零件，加熱至心部Ac3稍上。心部:細小的低碳M；表面可消除網(wǎng)狀滲碳體；晶粒較粗大，殘余奧氏體較多，影響耐磨性。②對表面耐磨性要求較高的零件，加熱溫度應(yīng)選擇在Ac1

稍上，表面層為M、未溶碳化物和少量殘余奧氏體心部低碳M和未溶鐵素體。淬火溫度的選擇要兼顧表面和心部的要求。3、二次淬火定義：工件滲碳緩冷后兩次加熱淬火。淬火溫度的選擇：一次淬火加熱溫度一般為心部成分的Ac3以上，目的是細化心部組織，消除表層網(wǎng)狀碳化物；二次淬火一般加熱到Ac1以上，使?jié)B層獲得細小粒狀碳化物和隱晶馬氏體，以保證獲得高強度和高耐磨性。缺點：工藝復雜、成本高、效率低，氧化、脫碳、變形大。適用：要求表面高耐磨性和心部高韌性的重要零件，當直接淬火、一次淬火無法滿足要求時才使用。3、二次淬火定義：工件滲碳緩冷后兩次加熱淬火。六、滲碳后的組織與性能1、滲碳后緩冷到室溫下的組織表面過共析區(qū)：P＋Fe3CII；接近共析區(qū)：P；亞共析區(qū)（過渡區(qū)）：F＋P；心部：原始組織。共析區(qū)過共析區(qū)六、滲碳后的組織與性能共析區(qū)過共析區(qū)滲碳后緩冷，滲層分三個區(qū)域：①過共析層：OA段珠光體＋網(wǎng)狀滲碳體②共析層：A段珠光體③過渡層：AC段珠光體＋鐵素體心部原始組織：大量鐵素體＋少量珠光體滲碳后緩冷，滲層分12鋼的化學熱處理課件滲碳層的組織過共析組織(P+Fe3CⅡ)共析組織(P)過渡區(qū)亞共析組織(P+F)原始亞共析組織(F+P)滲碳層的組織過共析組織(P+Fe3CⅡ)共析組織(P)過2、滲碳后淬火加低溫回火后的組織：表面：回火馬氏體+顆粒狀碳化物+殘余奧氏體；心部組織依據(jù)鋼種來確定：若為低碳鋼，淬透性差，為鐵素體+珠光體；若為低碳合金鋼，淬透性好，為馬氏體加少量鐵素體。亞共析區(qū)心部2、滲碳后淬火加低溫回火后的組織：亞共析區(qū)心部3、性能表面：具有較高的硬度、耐磨性以及疲勞強度；心部：具有良好的塑性與韌性。3、性能滲碳件的組織對性能的影響：（1）表層碳含量表面含碳量應(yīng)控制在0.9％左右。（2）殘留奧氏體：與馬氏體相比，殘留奧氏體強度、硬度較低，塑性、韌性較高，組織中有一定數(shù)量的殘留奧氏體，能起到對外力緩沖和使應(yīng)力分布均勻的作用，增加了疲勞裂紋形成和擴展的阻力，提高了鋼的斷裂韌性。一般不宜超過30％（3）滲層碳化物：可顯著提高工件的耐磨性和抗咬合性，但粗大塊狀或網(wǎng)狀碳化物的存在，會破壞基體組織的連續(xù)性而引起脆性，使工件表面產(chǎn)生剝落。滲碳件的組織對性能的影響：（1）表層碳含量（4）心部硬度及組織：工件心部硬度取決于鋼的碳含量。合適的心部組織應(yīng)為低碳馬氏體、貝氏體或索氏體，不允許有大塊、大量的鐵素體存在。（5）滲碳層深度：滲碳層的深度愈深，可以承載接觸應(yīng)力愈大。在滿足工件使用要求的前提下，滲層越淺越經(jīng)濟。過多地增加層深，會使表面殘余壓應(yīng)力降低，工件韌性下降，疲勞強度降低。一般滲碳件的工藝路線：鍛造→正火→切削加工→滲碳→淬火+低溫回火→精加工（4）心部硬度及組織：工件心部硬度取決于鋼的碳含量。合適的心七、滲碳件的質(zhì)量檢查1、滲碳層的深度的檢查（測定）常用隨爐滲碳試樣來判別。（1）斷口分析法：將滲碳試樣淬火后打斷觀察，滲層斷口呈白色瓷狀，未滲碳部位為灰色纖維狀，兩層交界處的含碳量約為0.4％。為了清楚地顯示滲碳層，可將試樣斷口磨平拋光，4％硝酸酒精溶液腐蝕，滲碳層呈黑色，中心部分呈灰色，直接用讀數(shù)放大鏡測出滲層深度。（2）金相分析法：退火態(tài)下測量。碳鋼件：從表面測到過渡區(qū)的1/2處。合金鋼：從表面到出現(xiàn)原始組織為止。七、滲碳件的質(zhì)量檢查（3）硬度法：滲碳滲層深度為從表面向里到硬度HV550。2、硬度檢查：根據(jù)技術(shù)要求和工藝規(guī)定的部位檢查硬度。

一般要求檢查淬火及低溫回火后的表面硬度(大于58HRC)和心部硬度。3、金相組織檢查滲碳件淬火及回火后的金相組織檢查，包括表層碳化物的數(shù)量，分布特征，馬氏體粗細，殘余奧氏體的含量，心部游離鐵素體的數(shù)量大小分布狀態(tài)。（3）硬度法：

圖5-21塊狀碳化物級別8級400×

八、滲C缺陷及控制1.表面粗大網(wǎng)狀、塊狀碳化物控制方法：降低滲碳劑濃度、數(shù)量，強滲期溫度調(diào)低。形成原因：碳勢太高，溫度太高，保溫時間太長。圖5-21塊狀碳化物八、滲C缺陷及控制1.表面粗大網(wǎng)狀、塊返修方法：調(diào)整碳勢并補滲；脫C層≤0.02mm時，噴丸處理18CrMnTi滲碳表面脫碳2.表層貧碳或脫碳形成原因：擴散期碳勢降低太多，爐子漏氣，緩冷或出爐時氧化脫碳返修方法：18CrMnTi滲碳表面脫碳2.表層貧碳或脫碳形成形成成因：滲C或淬火溫度過高，使A中的C及含C量過高。防止方法：降低碳勢，降低滲C溫度和淬火溫度，降低重淬溫度。返修方法：（1）深冷處理，使A′→M（2）高溫回火后重淬表面大量殘余奧氏體400×

3.表面大量殘余奧氏體形成成因：表面大量殘余奧氏體400×3.表面大量殘余奧氏形成成因：爐溫不均勻，爐氣循環(huán)不好，碳黑沉積在工件表面,固體滲C時，滲劑不均勻4.滲C層深度不均勻形成原因：爐溫低，碳勢低，漏氣，裝爐量過大等防止辦法：檢查滲劑給入量，修復爐子不良狀況，清理沉積碳黑。返修方法：補滲5.滲層深度不夠形成成因：4.滲C層深度不均勻形成原因：爐溫低，碳勢低，漏現(xiàn)象：滲碳層表面組織中出現(xiàn)沿晶界呈斷續(xù)網(wǎng)狀的黑色組織。形成成因：滲碳介質(zhì)中氧向鋼的晶界擴散，形成Cr、Mn和Si的氧化物，發(fā)生內(nèi)氧化，也可能是由于氧化使晶界及附近的合金貧化，淬透性低，淬火出現(xiàn)非M組織。防止辦法：主要滲碳爐的密封性，降低爐中含氧量，如深度小于0.02mm，可將其磨去或進行表面噴丸處理。6.黑色組織現(xiàn)象：在先共析滲碳體周圍出現(xiàn)鐵素體層，淬火出現(xiàn)軟點防止辦法：適當提高淬火溫度或延長淬火加熱保溫時間，使A均勻化，并采用較快的淬火冷卻速度。7.反常組織現(xiàn)象：滲碳層表面組織中出現(xiàn)沿晶界呈斷續(xù)網(wǎng)狀的黑色組織。6.黑8.表面硬度低形成成因：表面碳濃度低，A′量多，或表面形成屈氏體組織返修方法：補滲、深冷、重淬。9.變形成因形成：擺放不當，壓擠

防止方法：合理吊裝工件，淬火壓床加壓淬火10.開裂――在緩冷過程中產(chǎn)生表面裂紋形成成因：滲C后空冷滲層組織轉(zhuǎn)變不均勻所致。如：20CrMnMo滲后空冷，表層先形成薄層屈氏體，下面為A，繼續(xù)冷卻時A→M，表面形成拉應(yīng)力所至。防止方法：先減慢冷速使?jié)B層共析轉(zhuǎn)變后再快冷。8.表面硬度低思考題：

用20鋼制造的20mm的小軸，經(jīng)930℃，5小時滲碳后，表面碳的質(zhì)量分數(shù)增加至1.2％，分析經(jīng)下列熱處理后表面及心部的組織：20鋼AC3為855℃，Ar3為835℃；T12鋼Acm為820℃(1)滲碳后緩冷到室溫。

(2)滲碳后直接淬火，然后低溫回火。

(3)滲碳后預冷到820℃，保溫后淬火，低溫回火。

(4)滲碳后緩冷到室溫，再加熱到880℃后淬火，低溫回火。

(5)滲碳后緩冷到室溫，再加熱到780℃后淬火，低溫回火。思考題：11.4.金屬的氮化定義：鋼鐵工件在一定溫度（一般在Ac1以下）的含有活性氮的介質(zhì)中保溫一定時間，使其表面滲入氮原子的過程稱為滲氮或氮化。目的：提高工件的表面硬度、疲勞強度、耐磨性、耐蝕性及抗咬合性。優(yōu)點：（1）高的表面硬度及耐磨性含Al、Cr、Mo的氮化鋼，HV1000～1100，相當HRC65～72；到600℃仍可維持相當高的硬度。

一、概述11.4.金屬的氮化定義：鋼鐵工件在一定溫度（一般在Ac1（2）高的疲勞強度和抗腐蝕能力由于滲氮后鋼件表層比容增大，產(chǎn)生壓應(yīng)力，使疲勞強度↑形成致密的耐蝕氮化物，工件在水、堿性溶液中都很穩(wěn)定。（3）變形小且規(guī)律性強氮化溫度較低（常在500～600℃），零件心部無相變，且氮化后滲層直接獲得高硬度，不必再淬火，避免了淬火引起的變形。引起氮化零件變形的原因主要是氮化層體積膨脹，變形的規(guī)律性強。（4）較高的抗“咬卡”性能“咬卡”指由于短時間缺乏潤滑并過熱，相對運動的兩表面間卡死、擦傷或焊合的現(xiàn)象。氮化層的高硬度和高溫硬度，使之具有好的抗咬卡性能。（2）高的疲勞強度和抗腐蝕能力用途：用于耐磨性和精度都要求較高的零件，或要求抗熱、抗蝕的耐磨件。Eg:發(fā)動機汽缸、排氣閥、精密機床絲杠、鏜床主軸、氣輪機閥門、閥桿等。分類：氣體滲氮、液體氮化（軟氮化）和離子滲氮適用對象：傳統(tǒng)的滲氮鋼，不銹鋼，工具鋼和鑄鐵缺點：滲氮工藝過程較長（幾十甚至上百個小時），滲層較薄，脆性大。不能承受太大的接觸應(yīng)力。用途：用于耐磨性和精度都要求較高的零件，或要求抗熱、抗蝕的耐α相—N溶于α-Fe中的間隙固溶體（含氮鐵素體），體心立方結(jié)構(gòu)，N含量<0.11%。γ’相—以Fe4N為基可變成分的固溶體，面心立方結(jié)構(gòu)，N含量5.7-6.1%。ε相—以Fe3N為基的固溶體，密排六方結(jié)構(gòu)，N含量8.25-11%。γ相—存在于共析溫度(590°C)之上，含氮奧氏體，面心立方結(jié)構(gòu)。ξ相—以Fe2N為基的固溶體，正交結(jié)構(gòu)，N含量11-11.35%。極脆，容易脆裂和剝落，滲氮時應(yīng)避免此相出現(xiàn)。兩個共析反應(yīng)：590℃：γ→α＋γ’650℃：ε→γ＋γ’二、滲氮的原理與過程α相—N溶于α-Fe中的間隙固溶體（含氮鐵素體），體心立方結(jié)鋼的滲氮過程鋼鐵的滲氮過程和其它化學熱處理過程一樣，由分解、吸收、擴散三個基本過程組成。

滲劑的分解：指滲劑中分解出含有活性氮原子的物質(zhì)。使用最多的滲氮介質(zhì)是氨氣。2NH3→3H2+2[N]Fe+[N]→Fe(N)4Fe+[N]→Fe4N3Fe+[N]→Fe3N2Fe+[N]→Fe2N活性氮原子被鋼的表面吸收形成固溶體和氮化物，隨著氮化時間的增長，氮原子逐漸往里擴散，形成一定深度的氮化層。發(fā)生如下反應(yīng)：鋼的滲氮過程鋼鐵的滲氮過程和其它化學熱處理過程一樣，由分解、氮勢：表征一定溫度下鋼中N的活度。r的性質(zhì)：只取決于氣相的組成在一定溫度滲氮時，形成相或ε相的臨界氮勢是一確定值r的控制：氨分解率提高氮勢：加大氣體流量，降低氨分解率降低氮勢：減小氣體流量，提高氨分解率γ′氮勢：表征一定溫度下鋼中N的活度。r的性質(zhì)：提高氮勢：加大氣N化層形成過程示意①向爐內(nèi)不斷通入氨氣②氨分子向金屬表面遷移③氨分子被金屬表面吸附④氨分子在金屬表面不斷分解，形成氮原子和氫原子⑤活性原子復合成分子，不斷從爐內(nèi)排出⑥表面吸附的活性氮原子溶解于α－Fe中N化層形成過程示意①向爐內(nèi)不斷通入氨氣N化層形成過程示意⑦氮原子由金屬表面向內(nèi)部擴散⑧當?shù)^在α－Fe中的溶解度后，表層開始形成氮化物⑨氮化物長大⑩表面依次形成γ′和ε相⑾氮化層不斷增厚⑿氮從氮化物層向金屬內(nèi)部擴散N化層形成過程示意⑦氮原子由金屬表面向內(nèi)部擴散氮化層強化機理氮化強化與滲碳強化區(qū)別滲碳強化:先滲碳后淬火獲得相變高碳馬氏體強化相氮化強化:合金氮化物的時效強化，氮化后無須熱處理N化強化機理1）N和Me元素原子的偏聚形成G-P區(qū)，引起強烈畸變。2）過渡型氮化物的析出；3）穩(wěn)定的合金氮化物具有彌散強化效果。強化效果與合金元素有很大關(guān)系，形成的合金氮化物越穩(wěn)定，其強化效果越好，Al、Cr、Mo能強烈提高氮化層的硬度，氮化王牌鋼38CrMoAl氮化層強化機理三、氮化層的組織1、純鐵氮化層組織1）由鐵-氮狀態(tài)圖可見，在低于590℃氮化，滲氮層組織由表及里為：滲氮時：ε→γ′→ɑ相滲氮后緩冷：ε→ε+γ′→γ′→γ′+ɑ→ɑ相這是滲氮時共析反應(yīng)不會發(fā)生，γ′相不易從ε相中析出；同樣，γ′相也不易從ɑ相中析出，兩相區(qū)ε+γ′、γ′+ɑ不會出現(xiàn)，所以，金相觀察只有ε→γ′→ɑ相組織。三、氮化層的組織1、純鐵氮化層組織1）由鐵-氮狀態(tài)圖可見，在12鋼的化學熱處理課件2）大于600℃滲氮時，滲氮層組織由表及里為：ε→γ′→γ

→ɑ相滲氮后緩冷：ε→ε+γ′→γ′→γ′+ɑ→ɑ相滲氮后快冷：ε→γ′→（含N馬氏體）

→ɑ相3）若考慮N的擴散條件，有些相不會出現(xiàn)。eg.520℃X324h和600℃X24h滲氮，不會出現(xiàn)γ′，原因：γ′區(qū)間窄，N濃度梯度小N在γ′中的擴散系數(shù)遠小于ɑ中2）大于600℃滲氮時，滲氮層組織由表及里為：實際情況下的氮化層組織從表面至心部的金相組織為：表面:回火索氏體+ε氮化物（一般要磨削去除、脆性大、不可用）氮化層:回火索氏體+α、γ’氮化物（工作層）心部:回火索氏體注：鋼的氮化熱處理可以有和馬氏體一樣的轉(zhuǎn)變。氮化層組織38CrMoAl氮化層硬度實際情況下的氮化層組織氮化層組織38CrMoAl氮化層硬度38CrMoAl氣體滲氮層組織(化染)650黃色區(qū):ε(Fe2-3N)+γ’(Fe4N);紅色區(qū):γ’(Fe4N);藍綠色區(qū):含氮索氏體+脈狀氮化物;綠黃色區(qū):索氏體基體。38CrMoAl氣體滲氮層組織(化染)2、鋼中碳及合金元素對氮化組織的影響

（1）碳的影響①降低氮的擴散速度，減小氮化層的深度；②N能溶入滲碳體，形成含氮滲碳體Fe3(C,N);③C能溶入ε相，成為Fe2-3(C,N),而不溶入γ′相中。鋼中的含碳量（％）0.060.431.18氮擴散系數(shù)（m2/s)5×10－91.25×10－90.514×10－92、鋼中碳及合金元素對氮化組織的影響鋼中的含碳量（％）0.0（2）合金元素的影響①合金元素溶解于鐵素體并提高N的溶解度，如W、Mo、Cr、Ti、V和少量的Zr、Nb可溶解于F，提高N在F中的溶解度。②形成Fe和合金元素的氮化物(Fe、Me)3N、(Fe、Me)4N等，Al、Si、Ti能大量溶解于γ′，擴大γ′的均相區(qū)。ε相的N含量和厚度均隨F中合金量的增加而減小（Al不改變ε相中的含N量）。（2）合金元素的影響③形成合金N化物，只有過渡族金屬中次外層d亞層充填不滿的金屬才能在鋼中形成N化物。按形成N化物由難到易的順序：Ni，Co，F(xiàn)e，Mn，C，Mo，W，Ti，Zr等。選擇氮化的鋼材，一般應(yīng)含有Cr、Mo、Al、V、Ti等氮化物形成元素的鋼，從而達到提高硬度和強度的目的。常用的氮化鋼有：40Cr、35CrMo、38CrMoAl等。

③形成合金N化物，只有過渡族金屬中次外層d亞層充填不滿的金屬四、氮化工藝1、氮化前的預處理（調(diào)質(zhì)處理）①保證心部有足夠的強度支撐較脆的氮化層；②消除加工應(yīng)力，減小變形；③為氮化層的性能作組織上的準備。

常用調(diào)質(zhì)處理，獲得回火索氏體組織。

四、氮化工藝2、非氮化層的保護①鍍錫熔點232oC，錫熔化后吸附在工件表面，阻礙氮原子滲入，鍍錫層厚：0.004～0.008mm②涂料水玻璃＋石墨粉，涂后烘干，涂2～3次。3、氮化參數(shù)的控制氮化溫度和時間確定氮化溫度一般在480—570℃左右。氮勢（氨分解率）控制氨分解率=（氫氣體積+氮氣體積）/爐氣總體積說明：氨分解率測量時，采用爐內(nèi)抽區(qū)廢氣密封，注入水、由于氨溶解于水，剩下為氫氣和氮氣，求它們的比值即為氨分解率。2、非氮化層的保護12鋼的化學熱處理課件4.滲氮工藝方法根據(jù)滲氮目的不同，滲氮工藝方法分成兩大類：一類是以提高工件表面硬度、耐磨性及疲勞強度等為主要目的而進行的滲氮，稱為強化滲氮；另一類是以提高工件表面抗腐蝕性能為目的的滲氮，稱為抗腐蝕滲氮，也稱防腐滲氮。

1）強化滲氮：一段氮化（等溫氮化）、二段氮化、三段氮化。4.滲氮工藝方法根據(jù)滲氮目的不同，滲氮工藝方法分成兩大類：①一段氮化（等溫氮化）如38CrMoAlA鋼氮化前處理1050℃+560℃回火Ⅰ：升溫階段Ⅱ：形成氮化物階段

采用低氨分解率（18—25%），使表面快速吸收大量氮原子；Ⅲ：擴散階段采用較高氨分解率（30—40%），使表面氮進一步向內(nèi)層擴散，增加滲層厚度Ⅳ：退氮階段在氮化前使表面氮濃度降低，采用高的氨分解率（70%），降低表面氮勢，減少表面脆性（脆性白亮層）；Ⅴ：緩慢冷卻階段減少表面氧化和工件變形，仍保持高的氨分解率。①一段氮化（等溫氮化）如38CrMoAlA鋼Ⅰ：升溫階段②二段氮化法第二階段把溫度提高到550一570℃，氨分解率控制在40一60％之間，目的是加速氮在鋼中的擴散，以增加氮化層深度。由于第一階段形成的氮化物穩(wěn)定性高，在第二階段稍提高溫度時，氮化物不會顯著聚集長大，因此硬度下降不多，而且可使氮化層的硬度分布趨于平緩。②二段氮化法第二階段把溫度提高到550一570℃，氨分解③三段氮化法三段氮化法是在二段氮化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它的特點是第二階段的溫度比二段氮化的更高一些，一般為560-580℃，以進一步提高氮化速度，達到一定氮化深度后，再將溫度降至相當于第一段的溫度或稍高的溫度下繼續(xù)氮化，使表層氮濃度達到最佳濃度，而不致使表面硬度過低。③三段氮化法三段氮化法是在二段氮化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它滲氮的一般工藝路線：鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→去應(yīng)力→粗磨→氮化→精磨或研磨滲氮的一般工藝路線：2）防腐滲氮防腐滲氮的目的是使工件表面獲得0.015-0.06mm厚致密、化學穩(wěn)定性高的ε相層。防腐滲氮對水、過熱水蒸氣、弱堿液均具有較好的抗腐蝕性能，但在酸性溶液中沒有抗腐蝕性?？垢瘽B氮與強化滲氮過程基本相同，但滲氮溫度較高，有利于致密的ε相形成和縮短滲氮時間。若溫度過高，則表面N含量降低，孔隙增大，耐蝕性降低滲氮后應(yīng)盡量快冷，抑制ε相轉(zhuǎn)變γ′（孔隙率增大）。2）防腐滲氮五、氮化層質(zhì)量的檢查及缺陷

1、氮化層的深度（1）斷口法出爐后在凹槽處敲斷，用25倍帶刻度的放大鏡測量，氮化層組織較細呈瓷狀，中心組織較粗，很易區(qū)分。（2）金相法將氮化試棒制成金相試樣，腐蝕后在顯微鏡下測量。五、氮化層質(zhì)量的檢查及缺陷2、氮化層硬度氮化層很薄，一般用載荷較小的維氏硬度，10kg負載。3、氮化層的脆性一般用維氏硬度壓痕形狀來評定；1、2級為合格，3、4級為不合格。2、氮化層硬度合格組織：表面為索氏體＋彌散的氮化物粒子心部為細索氏體4、金相組織5、常見缺陷變形及尺寸增大

原因：殘余應(yīng)力變形、裝爐不當自重變形、局部滲氮脹量不同變形、滲氮層比容增大膨脹。滲氮層脆性和脫落

原因：冶金雜質(zhì)、裂紋等缺陷處N濃度過高，ε過厚起泡而剝落、表面脫碳、預熱處理過熱。滲氮層硬度不足及軟點

原因：脫碳和晶粒粗大、表面N濃度低、合金氮化物粗大或過少、滲氮層淺引起硬度不足；表面出現(xiàn)異物影響N吸收引起軟點。合格組織：表面為索氏體＋彌散的氮化物粒子4、金相組織5、常見六、滲氮新工藝——離子滲氮在低于一個大氣壓的滲氮氣氛中，利用工件(陰極)和陽極之間產(chǎn)生的輝光放電進行滲氮的工藝稱為離子滲氮。工藝過程：真空度10-1-10-2Torr(1Torr=1mmHg=133.3Pa)的離子滲氮爐中，通入NH3，工件－，爐壁＋，400-750V，氨氣被電離成氨和氫的正離子和電子，陰極工件表面形成一層紫色輝光，高能量氮離子高速轟擊工件表面，動能熱能，工件表面溫升到450-650℃；同時氮離子在陰極上奪取電子后，還原成氮原子滲入工件表面，形成滲氮層。另外，氮離子轟擊工件表面時，還能產(chǎn)生陰極濺射效應(yīng)而濺射出鐵離子，鐵離子形成氮化鐵(FeN)附著在工件表面并依次分解為Fe2N、Fe3N、Fe4N放出氮原子向工件內(nèi)部擴散，形成滲氮層。六、滲氮新工藝——離子滲氮在低于一個大氣壓的滲氮氣氛中，利用工藝特點：速度快、周期短。38CrMoAlA要達到0.53-0.7mm深的滲層，15-20h（氣體滲氮法50h）。質(zhì)量高。由于陰極濺射有抑制生成脆性層的作用，所以明顯提高滲氮層的韌性和疲勞性質(zhì)。工件變形小。陰極濺射效應(yīng)使工件尺寸略有減小，可抵消氮化物形成引起的尺寸增大。適用于處理精密零件和復雜零件，如38CrMoAlA鋼制成的長900-1000mm、外徑27mm的螺桿，滲氮后其彎曲變形小于5μm。工藝特點：工藝特點：對材料的適應(yīng)性強。滲氮用鋼、碳鋼、合金鋼和鑄鐵都能進行離子滲氮，但專用滲氮鋼（如38CrMoAlA）效果最佳。缺點：投資高，溫度分布不均，測溫困難和操作要求嚴格等。工藝特點：11.5碳氮共滲在鋼的表面同時滲入碳和氮化學熱處理工藝稱為碳氮共滲氰化：碳氮共滲可以在氣體介質(zhì)中進行，也可在液體介質(zhì)中進行．因為液體介質(zhì)的主要成分是氰鹽，故液體碳氮共滲又稱為氰化。目的：對低碳結(jié)構(gòu)鋼、中碳結(jié)構(gòu)鋼以及不銹鋼等，為了提高其表面硬度、耐磨性及疲勞強度，進行820—850℃碳氮共滲。中碳調(diào)質(zhì)鋼在570—600℃溫度進行碳滲共滲，可提高其耐磨性及疲勞強度，高速鋼在550—560℃碳氮共滲的目的是進一步提高其表面硬度、耐磨性及熱穩(wěn)定性．

11.5碳氮共滲在鋼的表面同時滲入碳和氮化學熱處理工藝稱一、碳和氮同時在鋼中擴散的特點1、共滲溫度不同，共滲層中碳氮含量不同氮含量隨著共滲溫度的提高而降低，而碳含量則起先增加，至一定溫度后反而降低。滲劑增碳能力不同，達到最大碳含量的溫度也不同。2、碳、氮共滲時碳氮元素相互作用由于N使g相區(qū)擴大，且Ac3點下降，因而能使鋼在更低的溫度增碳。氮滲入濃度過高，在表面形成碳氮化合物相，因而氮又阻礙碳的擴散。碳降低氮在ε、ɑ相中的擴散系數(shù)，所以碳減緩氮的擴散。一、碳和氮同時在鋼中擴散的特點1、共滲溫度不同，共滲層中碳氮3、碳氮共滲過程中碳對氮的吸附有影響碳氮共滲過程可分成兩個階段：第一階段共滲時間較短(1—3小時)，碳和氮在鋼中的滲入情況相同；若延長共滲時間，出現(xiàn)第二階段，此時碳繼續(xù)滲入而氮不僅不從介質(zhì)中吸收，反而使?jié)B層表面部分氮原子進入到氣體介質(zhì)中去

，造成表面脫氮。3、碳氮共滲過程中碳對氮的吸附有影響二：中溫氣體碳氮共滲1．中溫氣體碳氮共滲的優(yōu)點與氣體滲碳相比有如下優(yōu)點：(1)可以在較低溫度下及在同樣時間內(nèi)獲得同樣滲層深度，或在處理溫度相同悄況下，共滲速度較快。(2)碳氮共滲在工件表面、爐壁和發(fā)熱體上不析出碳黑；(3)處理后零件的耐磨性比滲碳的高；(4)工件扭曲變形小。二：中溫氣體碳氮共滲1．中溫氣體碳氮共滲的優(yōu)點2．共滲介質(zhì)目前常用的有兩大類：

(1）含2～10％氨氣的滲碳氣體；可用于連續(xù)式作業(yè)爐，也可用于周期式作業(yè)爐。在用周期式作業(yè)爐進行碳氮共滲時，除了可引入普通滲碳氣體外，也可象滴注式氣體滲碳一樣滴入液體滲碳劑，如煤油、苯，丙酮等。除滲N、C反應(yīng)外，還存在：（2）含碳氮的有機液體。主要用于滴注法氣體碳氮共滲。常用介質(zhì)為三乙醇胺，在三乙醇胺中溶入20％左右尿素。CO+NH3→HCN+H2OH4+NH3→HCN+3H2

2HCN→H2+2[C]+2[N]2．共滲介質(zhì)目前常用的有兩大類：

(1）含2～103．共滲溫度及時間中溫氣體碳氮共滲工件一般都是共滲后直接淬火+低溫回火。因此，盡管氮的滲入能降低臨界點，但考慮心部強度，一般共滲溫度仍選在該種鋼的Ac3點以上，接近于點Ac3的溫度。但溫度過高，滲層中氮含量急劇降低，其滲層與滲碳相近，且溫度提高，工件變形增大，因此失去碳氮共滲的意義。一般共滲溫度在820～880℃之間，其表面碳濃度約為0.7～1.0%。共滲溫度確定后，共滲時間根據(jù)滲層深度要求而定，層深x與時間t的關(guān)系：3．共滲溫度及時間中溫氣體碳氮共滲工件一般都是共滲后直5．碳氮共滲層的組織與性能碳氮共滲層的組織取決于共滲層中碳、氮濃度，鋼種及共滲溫度。組織：表面為馬氏體基底上彌散分布的碳氮化合物，向里為馬氏體加殘余奧氏體，殘余奧氏體量較多，馬氏體為高碳馬氏體；再往里殘續(xù)奧氏體量減少，馬氏體也逐漸由高碳馬氏體過渡到低碳馬氏體。

4．碳氮共滲后的熱處理

碳氮共滲比滲碳溫度低，一般共滲后都采用直接淬火．因為氮的滲入，使過冷奧氏體穩(wěn)定性提高，故可采用冷卻能力較弱的淬火介質(zhì)，但應(yīng)考慮心部材料的淬透性。碳氮共滲后采用低溫回火．

5．碳氮共滲層的組織與性能碳氮共滲層的組織取決于共共滲層中C、N含量嚴重影響滲層組織。C、N含量過高，滲層表面出現(xiàn)密集粗大條狀碳氮化合物，使?jié)B層變脆。滲層N過高（氮含量超過50%），表面會出現(xiàn)空洞；滲層N過低，是滲層過冷A穩(wěn)定性降低，淬火后滲層出現(xiàn)屈式體網(wǎng)。一般N含量為0.3%-0.5%為宜。C、N含量增加，耐磨性和接觸疲勞強度提高，但N過高會出現(xiàn)黑色組織，使疲勞強度降低。共滲層中C、N含量嚴重影響滲層組織。三、氮碳共滲(軟氮化)氮碳共滲是指使工件表面同時滲入氮、碳原子，并以滲氮為主的表面化學熱處理工藝，亦稱軟氮化。三、氮碳共滲(軟氮化)氮碳共滲是指使工件表面同時氮碳共滲層組織：氮碳共滲處理后的組織與滲氮層組織大致相同。由表及里為：由ε為主、含有少量的γ’和Fe3C的化合物層（或稱為白亮層），由γ’相組成的N的擴散層和以含氮鐵素體α(N)為主的過渡層。主要是由于C在ε相中的溶解度大，而在γ’和α相中溶解度極小。且共滲溫度低，C的擴散速度慢，易在表面形成碳化物。含碳ε相韌性好、硬度和耐磨性高，軟氮化希望獲得單一的ε相。性能（合理控制C、N含量）：含C過高，硬度高，但接近滲碳體性能，脆性大；含C低、含N高，趨近于純N相性能，硬度低，脆性大。

氮碳共滲層組織：氮碳共滲處理后的組織與軟氮化的工藝：連續(xù)式作業(yè)爐一般采用吸熱式氣氛和氨氣的混合氣體積比1：1為最佳。在周期式作業(yè)爐中所采用的介質(zhì)種類較多．我國常用的有尿素、甲酰胺、三乙醇胺，以及醇類加氨氣等軟氮化特點：大大提高零件的耐磨性、抗咬合性和擦傷性大大提高零件的疲勞強度提高鋼的抗大氣和海水腐蝕能力軟氮化溫度和時間：

溫度：570°C，時間：1-6h軟氮化的工藝：連續(xù)式作業(yè)爐一般采用吸熱式氣氛和氨氣的混合其分解反應(yīng)：尿素：（氮勢大于碳勢，適合軟氮化）(NH2)2CO→2[N]+CO+2H22CO→CO2+[C]甲酰胺：（氮勢大于碳勢，適合軟氮化4HCONH2→2CO+4H2+2H2O+4[N]+2[C]三乙醇胺：（碳勢大于氮勢，不適合軟氮化）2(C2H4OH)3N→4CH4+6CO+7H2+2[C]+2[N]其分解反應(yīng)：尿素：（氮勢大于碳勢，適合軟氮化）幾種表面熱處理工藝的比較幾種表面熱處理工藝的比較11.6滲硼及金屬一、滲硼將鋼的表面滲入硼元素以獲得鐵的硼化物的工藝成為滲硼。1.鋼的滲硼效果滲硼能顯著提高鋼件表面硬度(HV=1300—2000)和耐磨性能。此外，滲硼層還具有良好的耐熱性和耐蝕性。表9-1滲硼在熱鍛模上的應(yīng)用11.6滲硼及金屬表9-1滲硼在熱鍛模上的應(yīng)用2.滲硼方法滲硼方法有鹽浴滲硼（包括熔鹽法、電解法）、固體滲硼（粉末滲硼、膏劑滲硼）和氣體滲硼（表5－2），但應(yīng)用最多的是固體滲硼。表5-2滲硼方法2.滲硼方法表5-2滲硼方法

3.滲硼組織1）鐵硼狀態(tài)圖圖5-34Fe—B狀態(tài)圖

3.滲硼組織圖5-34Fe—B狀態(tài)圖2）FeB和Fe2B的物理性能（表5-3）表5-3Fe2B和FeB的物理性質(zhì)3）滲硼層組織滲硼層組織由表及里為FeB相和Fe2B相，成梳齒狀楔入基體，圖5-35、5-36、5-37中的白亮層為單相Fe2B組織。2）FeB和Fe2B的物理性能（表5-3）表5-3Fe2圖5-3545鋼850℃×8h

滲硼250×圖5-3620CrNiMo滲碳后再滲硼920℃×7h400×圖5-3720CrNiMo滲碳后再滲硼850℃×8h250×

當滲硼層由FeB和Fe2B兩相構(gòu)成時，在它們之間將產(chǎn)生應(yīng)力，在外加負荷（特別是沖擊負荷）作用下，極易因產(chǎn)生裂紋而剝落。此外FeB相脆性較大，從使用的角度看，希望盡量減少FeB相，因此近年來大量研究工作致力于獲得單一的Fe2B相。試驗結(jié)果表明，滲層的表面結(jié)構(gòu)形式與滲硼方法，滲劑組成和滲硼規(guī)程等密切相關(guān)，在固體滲硼時，只要分配比適當，是可以獲得單相的Fe2B層的。

圖5-3545鋼850℃×8h

滲硼250×圖5-312鋼的化學熱處理課件4）滲硼工藝采用固體滲硼方法時，是將零件埋入裝有粉狀或粒狀滲硼劑的鋼質(zhì)箱中，箱上加蓋，放入爐內(nèi)，滲硼溫度范圍850～950℃，保溫時間5～10h，出爐后緩冷至300℃開箱。對于要求心部強度高的零件，可出爐取出零件直接淬火。5）滲硼后熱處理對心部要求較高的零件，滲硼后進行熱處理：加熱淬火后，采用緩冷并及時回火。原因：FeB、Fe2B和基體的膨脹系數(shù)差別較大，淬火時基體發(fā)生相變，而硼化物不發(fā)生相變，應(yīng)出現(xiàn)裂紋和崩落。4）滲硼工藝二、滲金屬滲金屬的方法固體法：粉末包埋法——把工件、粉末狀滲劑、催滲劑、燒結(jié)防止劑共同裝箱、密封、加熱擴散。液體法：鹽浴法——熔融的硼砂浴中加入被滲金屬粉末，工件在鹽浴中被加熱，同時金屬滲入。熱浸法——被工件浸入熔融的金屬液中一定時間后取出，再進行擴散處理。氣體法：把密封的反應(yīng)罐加熱至滲金屬溫度，被滲金屬的鹵化物氣體掠過工件表面時發(fā)生置換、還原、熱分解分反應(yīng)，分解出活性金屬離子滲入工件表面。二、滲金屬滲金屬的方法固體法：粉末包埋法——把工件、粉末狀滲目的：將工件表面合金化，使之具有特殊性能，以滿足使用要求，代替不銹鋼、耐熱鋼、和某些特殊合金，節(jié)約貴重和稀有金屬。特點：需要更高的溫度和較長的時間（原因：各金屬之間的原子半徑相差不大，原子在晶格中遷移比較困難）目的：將工件表面合金化，使之具有特殊性能，以滿足使用要求，代11.7、輝光放電離子化學熱處理離子化學熱處理：是爐（真空爐）內(nèi)通入少量與熱處理目的適應(yīng)的氣體，在高壓直流電場作用下，稀薄的氣體放電、起輝加熱工件。與此同時，欲滲元素從通入的氣體中離解出來，滲入工件表層。

離子化學熱處理比一般化學熱處理處理速度快，在滲層較薄的情況下尤為顯著。離子化熱處理可以進行離子滲氮、離子滲碳、離子碳氮共滲、離子滲硫和離子滲金屬。11.7、輝光放電離子化學熱處理離子化學熱處理：是爐（真空爐1、特點時間短→節(jié)省2/3或1/3白層少或沒有變形更小可實現(xiàn)局部氮化氮化均勻適用各種材料及低溫氮化不污染設(shè)備昂貴、測量溫度難離子滲氮1、特點離子滲氮2、原理工件→陰極，真空容器→陽極觀點1:高壓直流電→電子向陽極移動→氨氣電離→N+、H+移動→工件（陰極）N+高速轟擊工件表面→動能轉(zhuǎn)換為熱能→達到氮化溫度（工件此時產(chǎn)生輝光）在陰極N+得到電子→還原為[N]→滲入另外，N+高速轟擊工件表面→Fe部分濺射為Fe+→與N+結(jié)合→表面形成FeN→分解Fe2N→擴散觀點2：NH3不完全分解→產(chǎn)生轟擊離子為NH2+、NH+因為用N2、Ar混合離子氮化→無滲層2、原理工件→陰極，真空容器→陽極觀點2：3、工序清洗：否則會引起電弧→損傷工件裝爐：局部非氮化部位屏蔽；工件之間有間隙參數(shù)選擇電參數(shù)：電流密度；電壓；功率熱參數(shù)：溫度；時間由材料、層深、硬度確定氣參數(shù)：純NH3或分解NH3；壓力；流量3、工序清洗：否則會引起電弧→損傷工件第十一章

鋼的化學熱處理

材料與冶金學院李偉第十一章

鋼的化學熱處理

材料與冶金學院

主要內(nèi)容

11.1概述11.2化學熱處理的原理及過程11.3鋼的滲碳11.4鋼的滲氮11.5鋼的碳氮共滲11.6滲硼及金屬11.7輝光放電離子化學熱處理

主要內(nèi)容1.概念將金屬或合金工件放在特定的活性介質(zhì)中加熱到一定溫度，使工件表面與周圍介質(zhì)相互作用，一種或幾種化學元素的原子或離子擴散并滲入工件的表層，使其表面的化學成分發(fā)生改變，并配以不同的后續(xù)熱處理，改變其金相組織與性能的一種熱處理工藝。簡單說是向鋼的表面滲入某種元素的熱處理工藝。注意：化學熱處理既改變表面的化學成分，又改變其組織?；瘜W熱處理后滲層與基體金屬之間無明顯的分界面，由表面向內(nèi)部其成分、組織與性能是連續(xù)過渡的。11.1概述1.概念11.1概述其表面和心部具有不同的化學成分、組織、性能，從而獲得單一材料難以獲得的性能。1）提高材料的表面硬度和耐磨性。碳鋼滲C或C、N共滲→（淬火）獲得表面高硬度、耐磨性，心部保持良好的塑韌性。2）提高材料抗交變載荷的疲勞強度。滲氮（軟N化或離子滲N）→表面形成壓應(yīng)力層，抗疲勞性能大幅提高。3）增強材料的耐蝕性和耐熱性能。滲Al→提高工件表面抗氧化、抗腐蝕的能力。2.目的其表面和心部具有不同的化學成分、組織、性能，從而獲得單以滲入元素命名：滲金屬，滲非金屬。1）滲入非金屬元素：

單元滲：C、N、B、O、S、Si等；多元滲：C＋N、O＋N、O＋C＋N2）滲入金屬元素：

單元滲：Al、Cr、Ti、Nb、V、Zn多元滲：Al＋Si、Al＋Cr、Al＋V、Al＋Cr＋Si3.分類以滲入元素命名：滲金屬，滲非金屬。1）滲入非金屬元素：

3）滲入元素對表面性能作用分類：

提高滲層強度及耐磨性→滲C、N、B、Nb、V等。

高抗氧化、耐高溫→Al、Cr。

提高抗嚙合、抗擦傷→滲S、N、磷化等。

提高抗腐性能→滲N、滲Si、滲Zn。4）介質(zhì)的物理狀態(tài)分：

固體―如固體滲C、固體滲B等。

液體―如鹽溶爐滲B或B、C、N共滲等，滲Al等金屬氣體―氣體滲C和C、N共滲。3）滲入元素對表面性能作用分類：

提高滲層強度及耐磨性→滲C4.特點1）不受工件幾何形狀的限制任何幾何形狀復雜的工件經(jīng)過化學熱處理后，均可獲得沿其輪廓分布的均一的表面化學熱處理層。2）具有較好的工藝性如開裂傾向較?。惶幚頊囟确秶^寬；對冷卻介質(zhì)的敏感性較小等。4.特點1）不受工件幾何形狀的限制任何幾何形狀復雜的工件經(jīng)過3）經(jīng)濟效果好4）能獲得具有特殊性能的表面層廉價的鋼材經(jīng)化學熱處理后可獲得表面性能高的工件。經(jīng)化學熱處理的碳鋼件的表層性能不亞于同類合金鋼的性能。如耐腐蝕性、耐磨性等3）經(jīng)濟效果好4）能獲得具有特殊性能的表面層廉價的鋼材經(jīng)化學11.2基本原理及過程一、化學熱處理的基本過程基本過程——大致分為三個階段：1.分解階段：滲劑中的化學反應(yīng)分解出滲入元素的活性原子。2.吸收階段：活性原子被金屬表面吸收3.擴散階段：滲入原子在金屬基體內(nèi)達到一定濃度后從工件表面向內(nèi)部擴散。11.2基本原理及過程一、化學熱處理的基本過程1、滲劑分解滲劑一般由含有被滲元素的物質(zhì)組成，有時加入一定量的催滲劑，催化滲劑分解反應(yīng)。滲劑必須具有一定活性。滲劑活性：在相界面反應(yīng)中易于分解出被滲元素原子的能力。如920-930℃，含碳或含氮介質(zhì)的分解：

2CO→CO2+[C]CH4→2H2+[C]2NH3→3H2+2[N]1、滲劑分解如920-930℃，含碳或含氮介質(zhì)的分解：化學熱處理時滲劑分解出被滲元素活性原子的反應(yīng)有：1）置換反應(yīng)：滲金屬時，2）還原反應(yīng)：如滲金屬時，3）氧化反應(yīng)：如滲碳時，

4）分解反應(yīng)：如普通氣體滲碳、滲氮時，滲劑的反應(yīng)類型：化學熱處理時滲劑分解出被滲元素活性原子的反應(yīng)