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1、 第五章 钢的化学热处理 改变表面成分改变表面组织的热处理一.化学热处理的原理固态工件渗金属或非金属 1.基本过程气氛活性原子吸附分解扩散 2.速度控制因素原子 吸收扩散催化作用促进 吸附 促进 分解提高速度方法：分段控制 复合渗 高温 化学催渗 物理催渗二.渗碳表面 成分变化组织变化性能变化渗碳：渗碳方法 气体 固体 液体Ipsen贯通式箱式多用炉 1.气体渗碳 1.1.渗碳介质液体介质 碳氧比(C/O 1) T 分解C 渗碳剂 (C/O1) T 分解CO 稀释剂碳当量 产生1mol碳所需该物资的量煤油、甲苯、丙酮、乙醇；甲醇表 101 不同液体的碳当量乙醇：46 丙酮：29气体介质 天然气
2、 含 甲烷 9095城市煤气 成分 表 104液化石油气 含 丙烷和丁烷1.2.影响因素分解吸收扩散渗碳温度：860960渗碳时间：估算公式 P253钢的成分：低碳钢 Ni Cr 合金钢碳势：炉内气氛与钢表面含碳量平衡时的相对含碳量测量方法 露点法CO2红外线法氧势测定氧探头P301 ZrO2为电解质固体电池 2.固体渗碳装箱渗碳 网状碳化物？3.液体渗碳盐浴：加热盐 NaClBaCl2渗碳介质 氰化钠或氰化钾 催化剂 Na2CO3 表 106 无毒盐4.渗后热处理 4.1.直接淬火低温回火组织及性能特点：不能细化钢的晶粒、工件淬火变形较大、渗碳钢工件表面残余奥氏体较多、表面硬度低适用范围：操
3、作简单、成本低、气体或液体渗碳4.2.预冷直接淬火、低温回火 淬火温度800850 组织及性能特点：可以减少工件淬火变形、渗碳层残余奥氏体量降低、表面硬度略有提高适用范围：细晶粒钢制工件、操作简单、 工件氧化、脱碳及淬火变形较小4.3.一次加热淬火、低温回火 渗碳温度820850或780810组织及性能特点：对心部强度要求高，采用820850淬火，心部组织：低碳M对表面硬度要求高，采用780810淬火，细化晶粒 适用范围： 固体渗碳后的碳钢和低合金钢工件、气体、液体渗碳的粗晶粒钢、渗碳后需机械加工的工件4.4.渗碳、高温回火、一次加热淬火、低温回火 温度840860组织及性能特点：高温回火使马
4、氏体和残余奥氏体分解，渗层中碳和合金元素以碳化物形式析出 淬火后残余奥氏体减少适用范围： CrNi合金钢渗碳4.5.二次淬火、低温回火 组织及性能特点： 第一次淬火（正火）可以消除渗层网状碳化物及细化心部组织 第二次淬火改善渗层组织 （心部性能要求高，提高T） 适用范围： 力学性能要求高的渗碳工件、粗晶粒钢 两次加热 氧化 变形 脱碳 复杂4.6.二次淬火、冷处理、低温回火组织及性能特点：高于Ac1或Ac3（心部）的温度淬火高合金钢表层残余奥氏体较多，经冷处理促使奥氏体转变提高硬度和耐磨性 适用范围： 渗碳后不需要机械加工的高合金钢工件4.7.渗碳后感应加热淬火、低温回火组织及性能特点：细化渗
5、层及靠近渗层处组织、淬火变形小适用范围： 齿轮及轴类工件5.渗碳设备 多用炉 井式渗碳炉 工艺曲线 强渗扩散三.氮化工件放在含N的介质中，使N原子渗入钢的表面，形成富氮的硬化层化学热处理1. 氮化的应用及特点极高硬度 HV9501200 HRC6572 渗层浅高的耐磨性和抗咬合性 静摩擦 渗层脆性大高红硬性 化合物层高疲劳强度 低缺口敏感性 表面压应力抗腐蚀、变形小 周期长目前广泛应用: 气体氮化。氨被加热分解出活性氮原子（2NH33H2+2N), 氮原子被钢吸收并溶入表面, 在保温过程中向内扩散, 形成渗氮层。 T: 500 600 T: 20 h50 h， 38CrMoAl钢氮化工艺曲线图
6、 钢件氮化后：硬度(1000 HV1100 HV), 600 650 下保持不下降, 所以具有很高的耐磨性和热硬性。 氮化后，工件的最外层为一白色 或相的氮化物薄层，很脆；中间是暗黑色含氮共析体（ ）层；心部为原始回火索氏体组织。 钢氮化后, 渗层体积增大, 造成表面压应力, 使疲劳强度大大提高。氮化温度低, 零件变形小。氮化后表面形成致密的化学稳定性较高的 相层, 所以耐蚀性好, 在水中、过热蒸气和碱性溶液中均很稳定。 2.氮化的基本原理 FeN相图 相 N在Fe中的固溶体 0.1% 590 缓冷 相 可变成分的FeN间隙相 Fcc结构 6N 相 可变成分化合物 Hcp结构 8.2511N
7、Fe2NFe3N 相 以化合物Fe2N为基的固溶体 基本过程：分解吸收扩散分解 NH3H2N(-Fe) 氮势 NpP（NH3）/P（H2） 介质氮化能力大小或介质活性大小氮势不反映表面N含量生产中氮势测定 NH3分解率（H2体积N2体积）/炉气总体积（容器全部体积水体积）/容器全部体积调节氮势 调节NH3的流量 流量NH3分解率吸收 吸附N溶入-Fe 基体吸收（-Fe）合金氮化物影响钢吸收因素 温度 550580 N在Fe中扩散很慢 分解率 550600 NH3最佳分解率 1535扩散 N在多相中扩散 反应扩散控制扩散速度N在中的扩散速度（最慢）氮化层组织：T 550590不易腐蚀 呈白亮色
8、特点：当白亮层由（）组成 渗层很脆 氮化层脆性等级 12级 合格当白亮层仅由（）组成 渗层不脆控制相方法：控制表面N渗N后退氮渗后快冷 变形大相中析出或析出 呈针状 沿相一定晶面析出相区很薄 金相中一般分辨不出碳及合金元素对氮化影响碳 明显降低N在Fe中的扩散速度 渗层深度低N溶入Fe和Fe3C合金元素 与N形成合金氮化物阻碍N在钢中的扩散（W、Ni、Mo作用最大）氮化钢：38CrMoAl3.氮化工艺预先热处理：保证心部性能 调质为氮化做组织准备非氮化表面保护 镀Sn 涂层（水玻璃+石墨粉）氮化工艺参数 氮化层深度氮化层表面硬度温度：T，氮化物集聚长大，HV 一般 540570（高回T）时间：
9、薄层硬化渗氮，低温长时 厚层硬化渗氮，高温长时 （HV）NH3分解率：决定工件表面N初期 分解率低 表面能迅速达到高N浓度中期 分解率提高 表面吸氮量提高 使N迅速向内扩散后期 分解率 表面吸N量 避免表面脆性NH3分解率 三段氮化工艺：等温氮化 温度低 变形小 周期长 二段氮化 周期短 脆性低 HV梯度平缓 退氮（T 560570 HV）三段氮化 等温氮化的改进抗蚀氮化 生产致密的相 固定HN3 分解率 N最大4.氮化质检 外观：银白色 淡黄色（氧化） 表面HV：一般渗层0.5mm，范围 HV6501200一般HV650900 脆性：评级 氮化层深度：断口法 金相法 硬度法 HV500淬火法
10、（M（N）呈白色） 金相组织: 炉冷渗氮层 白亮层扩散层 正常状态：回火S（F不呈大块状）氮化物无网状氮化物 大块状氮化物 针状氮化物5.其它氮化方法离子氮化 离子氮化炉：真空炉体中，通入含氮气体，工件作为阴极，炉壁为阳极，加上高压，使之辉光发电，将氮渗入形成氮化层的设备 利用辉光放电这一物理现象对金属材料表面强化的氮化法 降 位 電 極 陰壓 電極 陰. 件 工 理 處極 陽. 壁 爐電漿輝光界面CONFeNFeN吸附Fe2NFe3NFe4NFeNNNNNNNNH+H2e-e-e-N+N2e-e-e-2+N2e-NNN+或e-e-Fe+(a)(b)(d)(c)离子氮化原理图离子氮化设备图6.
11、氮化钢 38CrMoAl 机床丝杆的热处理氨分解率的控制 调节氮势 氮化能力的大小工艺：多段氮化氮化时间与氮化层深度 72h 0.3mm 白亮层：（）组成 脆（）组成 不脆 检验方法 HV氮化温度与氮化层组织 性能（热强性、静摩擦）控制相析出：控制表面N （渗后退N）渗后快冷 四. 碳氮共渗（氮碳共渗）1.特点（与渗碳比较）渗层表面高硬度、高耐磨性、高疲劳强度、耐腐蚀性可在较低温度共渗，不易过热，可直接淬火、变形小N的存在使渗层淬透性提高，可缓慢冷却CN共渗速度比单独渗碳或渗氮快 表层浓度梯度大 氮化物含C 碳化物含N共渗层中C和N含量随共渗温度而变CN共渗方法 固体 液体（氰化） 气体分类
12、（按温度） 高温 880950 很少用中温 780870 结构钢耐磨工件低温 500560 工模具钢表面强化 软氮化2.中温气体碳氮共渗介质：碳氢化合物有机溶液（煤油、丙酮）NH3气体介质分解气（天然气、煤气）HN3含CN的有机化合物三乙醇胺 尿素 CO N 工艺参数：温度 渗层厚度 一般 780870 时间渗层组织和性能 T C N 表面Hv 性能与渗碳相似T C N 表面Hv 耐磨性好 渗剂供应量 NH3与渗碳剂的百分比氮势：调节NH3流量 控制HN3分解率碳势：氧探头控制炉内CO 排气：通入煤油和NH3，迅速建立工件表面高C、N浓度 炉内达到氮势和碳势 保温：较多的煤油量 保证炉内碳势一
13、定的NH3 维持一定氮势加速C渗入T 主要为渗碳和得到较厚的渗层 以渗碳为主 扩散：大量NH3 建立炉内高氮势 为渗氮降低煤油滴量，T，使工件表面的含N量（不可讲以渗氮为主，因为T） 冷却：淬火 空冷 炉冷优势：克服单纯渗碳硬度不足的缺点克服单纯渗氮渗层厚度不够缺点 用途：获得较厚渗层且高耐磨的硬化层渗后热处理 淬火低温回火特点：淬火后A（残）多 N渗入使A稳定化提高渗层的淬透性提高可直接淬火 不出现过热组织渗层抗回火稳定性高（C、N化合物弥散度高），回火T可提高渗层组织和性能组织：缓冷 过共析共析亚共析（在过共析层中含较多的碳氢化合物）淬火 NH3流量小： M（C N）+A残少量氮碳化合物N
14、H3流量大：M（C N）+A残少量氮碳化合物氮碳化合物数量 Hv 耐磨氮碳化合物过多 连成片或区 渗层脆 疲劳强度性能：表面硬度高 且有峰值耐磨性高 抗弯曲疲劳强度高（表面残余压应力）接触疲劳强度高、强韧性高（共渗温度低 M针细小）3.低温氮碳共渗（软氮化） 特点：温度低、变形小 530570 （FeCN 共析点 565） 以渗氮为主 时间短 16h 渗层薄 不适应承受重载工件 不受钢种限制 碳钢、低合金钢、工模具钢、不锈钢、铸铁均可 渗层脆性低 相由Fe3N组成，不含Fe2N 白亮层不脆类型：液体软氮化 （剧毒）氰酸盐或氰化盐以尿素为主的盐 例 尿素碳酸盐氯化钾 反应生成 NaCN NaCNO气体软氮化 渗剂 尿素 三乙醇胺工艺 ： 530570 小于T回时间 取决于渗层组织 缓冷 （C）、Fe3（N C） （N） S回 快冷 （C）、Fe3（N C） M（C N）A残 S回油冷 AM（C N） 炉冷 A（N C）化合物层（0.1mm）扩散层(0.10.4mm)中心组织合金钢 化合物层中含合金氮碳化合物 性能 与氮化（硬氮化）相近 HV低
