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1、 化学热处理与表面淬火河北工业大学 教授 金属材料系 主任武建军 博士3 钢的化学热处理和表面淬火n定义：化学热处理是将工件置于一定的介质中 加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表 层，改变表面层的化学成分及显微组织，从而 使工件表层获得所需特殊性能的热处理工艺。n根据渗入的元素来命名n渗碳、氮化、碳氮共渗等可提高工件表面的硬 度、耐磨性以及疲劳强度；渗氮、渗硅、渗铝 等用于提高工件的抗腐蚀性、抗氧化性，n应用最广的化学热处理是渗碳、氮化和碳氮共 渗。 化学热处理的基本过程分解n化学介质在高温下(分解或蒸发)释放出 待渗的活性原子，例如2CO CO2 +Cn影响因素：n反应温度n介质浓度n催
2、化剂种类等化学热处理的基本过程吸收n活性原子被零件表面吸附，进而溶解或 反应。n根据作用力性质，分为化学吸附和物理 吸附。n影响因素：n温度n表面活性n表面面积等化学热处理的基本过程扩散n扩散是由于原子等微粒热运动引起的物 质传输现象。n活性原子由零件表面向内部扩散, 形成一 定深度的扩散层（固溶体，或化合物）n 扩散的阻力和条件n扩散与原子热运动相关，阻力就是周围原子对 运动原子的限制（扩散激活能），n不是所有原子都可以移动的！阻力（和键能相 关）大小不易改变n因此必须在满足以下条件才能实现n（1）扩散原子能固溶；n（2）具有驱动力：如浓度梯度，温度梯度。n（3）温度足够高；n（4）时间足够
3、长；加速化学热处理的措施n提高活性物质的浓度n提高温度n活化金属表面，如净化活化表面n提高活性粒子的活性，如电场加速n改变基体材料n复合渗等扩散定律n菲克（A. Fick）于1855年通过实验获过实验获 得了关 于稳稳定态扩态扩 散的第一定律，其数学表达式为为n即在单单位时间时间 内通过过垂直于扩扩散方向的单单位 截面积积的扩扩散流量J与浓浓度梯度成正比，n式中D为扩散系数，J为扩散通量，负号表示扩 散方向与浓度梯度方向相反。影响扩散系数的因素n温度n晶体结构n固溶体类型n浓度n晶体缺陷扩散方程的一个解n纯铁渗碳时，在含碳量不变的气氛中，C 浓度分布的试验结果与计算结果符合很 好抛物线规律n
4、n应用中，常以给定碳浓度值作为渗碳层的界限应用中，常以给定碳浓度值作为渗碳层的界限 ，然后确定在一定温度下所需要的渗碳时间。，然后确定在一定温度下所需要的渗碳时间。n对于一定界面C， 为定值；n即 渗层厚度x符合n式中K为比例系数，这个关系式常称为抛物线 时间规律。这一关系被广泛地应用于如钢铁渗 碳、晶体管或集成电路生产等工艺。n在一指定浓度C时，增加一倍扩散深度则需延 长四倍的扩散时间。3.1 钢的渗碳n目的：提高表面含碳量，从而提高表面 硬度、强度、耐磨性n举例：轴承，拖拉机变速齿轮n方法：气体，离子，真空，固体等n渗碳用钢：低碳钢或低碳合金钢：20钢 、20Cr 18CrMnTi、 、2
5、0CrMnTi钢等， 考虑力学性能、工艺性（尺寸与淬透性、晶粒 长大）要求和成本等进行选择n常用温度： 900950？渗碳件主要技术要求n碳势：1%，根据性能要求而定n碳浓度梯度：平缓，有利于渗层与基体 的结合，减少剥落。对于一些零件甚至 规定过共析层共析层的深度不超过60 70n渗层深度：主要取决于工件受力和设计 寿命等因素，对于一些薄、小零件，渗 层深度一般不超过截面尺寸的20渗碳件的预备热处理n提高切削加工性（主要）n为渗碳淬火作组织准备（次要）n多采用正火处理气体渗碳滴注式n介质：煤油、醇、苯等液体n工艺：将工件装在密封的渗碳炉中，加热到 900950(常用930)，向炉内滴入煤油、等
6、 有机液体，在高温下分解成CO、CO2、H2及 CH4等气体组成的渗碳气氛，在高温下在工件表面进行反应，生成活性碳原子 ，被表面吸收 并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。n常用方法介质选择原则n碳氧比大于1，必要条件n目前，常采用两种或以上介质搭配，控制碳 势及成本n安全性n经济性：n产气量大n碳当量大n便宜，易得滴注式气体渗碳工艺n一般分为升温排气、渗碳（包括强渗和扩散） ，降温冷却几个阶段n碳势主要取决于液体种类、流量和温度n排气阶段：滴量大，快速换气，防止零件氧化 。750 开始甲醇，900 煤油。到温后 延续3060分钟n渗碳阶段：正压150200Pa，用富碳渗剂滴 量控制碳势。两段法
7、渗层碳浓度梯度小，结合 好，渗速较快n降温阶段：降温至出炉温度滴注式气体渗碳n操作要点n表面清洁；n同一炉零件材料、技术要求相同；n炉内正压，废气点燃；n零件之间气氛流通；n经常校对碳势；n严禁在750以下向炉内滴入有机液体，防 爆吸热式气氛渗碳n将碳氢化合物气体与空气按一定比例混 合后，在催化剂和加热条件下进行吸热 反应，得到碳势较低的渗碳气氛。n富化气多采用丙烷。可以通过调节富化 气流量实现炉气碳势的调节n（一般）用于连续作业炉，常用即可n连续式渗碳炉分为加热、渗碳、扩散、 冷却四个区，可以对碳势和温度进行分 区控制n气体渗碳的优点： 生产率高，劳动条件 好，渗碳过程容易控 制，容易实现机
8、械化 、自动化，适用于大 批量生产。离子渗碳与真空渗碳特点n在低真空条件下渗碳n可以采用较高的温度（和电场加速）， 效率高n渗层均匀，尤其是小孔n节能n节省渗剂，环境好固体渗碳传统工艺渗碳工艺：工件+渗碳剂密封装入渗碳箱，加热至900950保温。固体渗碳剂：碳粉和碳酸盐(BaCO3或Na2CO3)的混合物。化学反应：C+O22COBaCO3或Na2CO3BaO（或Na2O）+CO2CO2+C 2CO 2COC+CO2固体渗碳的特点n优点：n设备简单，不需要专门设备n适应性大，n操作简单n缺点：n淬火麻烦n劳动强度大，工作条件差n质量不易控制（温度，碳势）液体渗碳n盐浴中加热，实现渗碳n盐浴中含
9、有加热介质，如NaCl，供碳物 质，如NaCN，和催渗剂,如NaCO3n优点：变形小，渗速快，渗层均匀n缺点：对人有毒，环境污染，渗碳后热处理n热处理方法与钢种、力学性能要求有关直接淬火n预冷至850880后直接淬入油中或水中，180 200进行低温回火。n预冷 ：减少淬火变形及开裂，使表层析出碳化物， 降低奥氏体的含碳量，从而降低淬火后的残余奥氏体 量，提高表层硬度。 特点： 操作简单、成本低，生产率高，适用于渗碳 件的心部和表层都不过热的情况下；此外预冷过程中 ，二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出，对工件淬火 后的性能不利。 用途：大批量生产的汽车、拖拉机齿轮常用此法。一次淬火法 工件经渗碳
10、空冷后，再重新加热进行淬火，然 后在180200回火。 淬火温度选择取决于性能要求： 心部要求较高时，略高于Ac3; 心部要求不高，稍高于Ac1; 兼顾心部和表面性能：稍低于Ac3; 由于奥氏体晶粒细化，性能提高， 适用于比较重要的零件，如高速柴油机齿轮等。二次淬火法n渗碳空冷后，先加热到Ac3以上(一般为 850900)油淬，使心部组织细化，消 除表层网状渗碳体；然后再加热到Ac1以 上(一般为750800)油淬，最后在180 200进行回火。n二次淬火法使工件表层和心部组织被细 化，从而获得较好的力学性能。但工艺 复杂，成本高；经反复加热冷却时易产 生变形、开裂、氧化等。所以只适用于 少数
11、对性能要求特别高的工件。渗碳零件应用举例n中等模数的汽车齿轮选用20CrMnTi材料 ，加工工艺路线为：下料、锻造、正火 、切削加工、渗碳淬火回火、喷丸、磨 削n正火：消除锻造应力，细化晶粒，调整 硬度，改善切削加工性n渗碳淬火：提高齿面强度、硬度、耐磨 性n低温回火：消除淬火应力，提高韧性渗 碳 层 的 退 火 组 织过共析组织(P+Fe3C) 共析组织(P) 过渡区亚共析组织(P+F) 原始亚共析组织(F+P) 渗碳工件的最终组织针状回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体硬度为5864HRC，而心部组织则随钢的淬透性和淬火加热温度而定。对于低碳钢如15、20钢，其心部组织为铁素体 +珠光体，硬
12、度相当于1015HRC；对于低碳合金钢如20CrMnTi，心部组织为回火 低碳马氏体+铁素体，硬度为3545HRC。渗碳件质量检验项目n设计技术条件：渗碳层深度、表面硬度 、心部硬度及不允许渗碳的部位等n不允许渗碳的部位可采用镀铜的方法来 防止渗碳或多留加工余量。n按工艺要求，可以检验n硬度：一般用HRCn深层深度:可以用宏观端口法，显微组织 分析，显微硬度测量等方法n金相组织：淬硬层，心部组织：常见缺陷及预防（137）n淬火后硬度低：表面碳浓度偏低或脱碳，冷却 不合理（出现T或较多A)n渗层出现大块或网状碳化物:碳势过高n渗层深度不均：温度不均、循环不良，表面不 清洁，表面积炭n心部偏软或偏
13、硬：与淬火温度高低、冷却快慢 ，心部含碳量有关n表面出现非马氏体组织：形成合金元素的氧化 物，降低表面淬透性n消除方法见p1373.2 渗氮n氮化就是向工件表面渗入氮、形成氮化物的处 理工艺，其目的是提高工件表面的硬度、耐磨 性、耐蚀性及疲劳强度。n氮化工艺特点n温度低 500570n时间长 :一般需要2050 h，氮化层厚度只有 0.30.5 mmn用于精密零件，如发动机的汽缸、排气阀、精 密机床丝杠、镗床主轴、汽轮机阀门等 渗氮件的性能 高硬度、高耐磨性 合金氮化物层，10001100HV，而且在600650下保持不下降；疲劳极限高 渗氮层的体积增大产生残余压应力， 疲劳极限提高达15%3
14、5%；高的耐蚀性能 致密耐蚀的氮化物，工件在水、过 热的蒸气和碱性溶液中都很稳定；气体渗氮 气体渗氮 在气体介质中进行渗氮的工艺称为气体渗氮。 工艺过程 在渗氮炉内通入氨气，在380以上氨分解出活性氮原子:2NH33H2+2N活性氮原子被工件表面吸收并溶入表面，在保温过程中向里扩散，形成渗氮层。n周期长，操作复杂，质量不稳定。氨分解率n分解得到的氮、氢气体占炉气体积的百分比n如果氨分解率过高，工件表面吸附大量氢原子 ，妨碍氮的吸收；n如果氨分解率过低，提供的活性氮原子很少， 也降低氮化速度n实验证明，当氨分解率在1540%，氮吸收 最快（实际温度下不可能这样低）n氨分解率与温度、氨气流量、工件
15、表面积、有 无活性剂等有关气体氮化工艺n温度：500570Cn时间：根据深度确定n阶段升温，温度均匀，渗层均匀，变形小；n渗氮工艺方法：一段渗氮，二段渗氮（强渗、 扩散），三段渗氮（强渗、扩散、强渗提高表 面硬度）n控制氨分解率：在温度一定时，通过控制氨分 解率 控制氮势：较低，氮势高（强渗阶段）； 较高，脆性降低（扩散阶段，60%）n较快的冷却可降低脆性离子渗氮n在低于一个大气压（一般1-10mmHg）的 氨气中，n在电场作用下(工件，炉壁，4001000V) ，氨气被电离成含氮的正离子和电子， 高能量含氮离子高速轰击工件表面，阴 极工件表面形成一层紫色辉光，这种渗 氮工艺称为(辉光)离子渗
16、氮（plasma nitriding）。离子渗氮工艺过程n高能量氮离子高速轰击工件表面，动能 热能，工件表面温升到450650；同 时氮离子在阴极上夺取电子后，还原成 氮原子渗入工件表面，形成渗氮层。n另外，氮离子轰击工件表面时，还能产 生阴极溅射效应而溅射出铁离子，铁离 子形成氮化铁(FeN)附着在工件表面并依 次分解为Fe2N、Fe3N、Fe4N放出氮原子向 工件内部扩散，形成渗氮层。离子渗氮特点F速度快、周期短。38CrMoAlA要达到0.530.7mm深的 渗层， 1520h（气体渗氮法50h）。F质量高。由于阴极溅射有抑制生成脆性层的作用，所 以明显提高渗氮层的韧性和疲劳性质。F工件变形小。阴极溅射效应使工件尺寸略有减小，可 抵消氮化物形成引起的尺寸增大。适用于处理精密零件 和复杂零件，如38CrMoAlA钢制成的长900
