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目 录 1 绪论 . 1 金属热处理 . 1 金属热处理的定义 . 1 金属热处理工艺 . 1 金属热处理的分类 . 1 化学热处理 . 2 化学热处理的概念 . 2 . 2 化学热处理的类别 . 3 化学热处理的基本过程 . 3 渗碳工艺 . 4 渗碳的历史 . 4 . 4 . 5 . 6 . 7 量的因素 . 11 . 11 . 11 2 20钢固体渗碳的过程 . 11 验前的准备 . 11 . 11 . 12 . 12 . 15 . 16 . 20 3 渗碳实验结果分析 . 21 碳以后硬度的分析 . 21 20钢经不同热处理以后硬度的测定 . 21 硬度的分析 . 21 渗碳以后金相分析 . 22 . 22 . 24 结论 . 26 参考文献 . 27 致谢 . 28 - 1 - 20 钢固体渗碳工艺研究 1 绪论 金属热处理 金属热处理的定义 金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。 金属热处理工艺 金属热处理是机械制造中的重要过程之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部 的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的，所以，它是机械制造中的特殊工艺过程，也是质量管理的重要环节。 为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容 3。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性 能 金属热处理的分类 金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。 1) 整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。 2) 表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有 - 2 - 高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处 理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。 3) 化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其他合金元素的介质 (气体、液体、固体 )中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其他热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。 化学热处理 化学热处理的概念 化学热处理是利用化学反应、有时兼用物 理方法改变钢件表层化学成分及组织结构，以便得到比均质材料更好的技术经济效益的金属热处理工艺 4。由于机械零件的失效和破坏大多数都萌发在表面层，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，表面层的性能尤为重要。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。心部为原始成分的钢，表层则是渗入了合金元素的材料。心部与表层之间是紧密的晶体型结合，它比电镀等表面复护技术所获得的心、表部的结合要强得多。 学热处理的目的 1） 提高零件的耐磨性 采用钢件渗 碳淬火法可获得高碳马氏体硬化 层 2；合金钢件用渗氮方法可获得合金氮化物的弥散硬化表层。用这两种方法获得的钢件表面硬度分别可达 62 及 1200。另一途径是在钢件表面形成减磨、抗粘结薄膜以改善摩擦条件，同样可提高耐磨性。例如，蒸汽处理表面产生四氧化三铁薄膜有抗粘结的作用 ;表面硫化获得硫化亚铁薄膜 ,可兼有减磨与抗粘结的作用。近年来发展起来的多元共渗工艺 ,如氧氮渗，硫氮共渗，碳氮硫氧硼五元共渗等 ,能同时形成高硬度的扩散层与抗粘或减磨薄膜，有效地提高零件的耐磨性，特别是抗粘结磨损性。 - 3 - 2） 提高零件的疲劳强度 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压应力，有效地提高零件的疲劳强度。 3） 提高零件的抗蚀性与抗高温氧化性 例如，渗氮可提高零件抗大气腐蚀性能；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 护膜，提高抗蚀性及高温抗氧化性。 通常，钢件硬化的同时会带来脆化。用表面硬化方法提高表面硬度时，仍能保持心部处于较好的韧性状态，因此它比零件整体淬火硬化方法能更好地解决钢件硬化与其韧性的矛盾 3。化学热处理使钢件表层的化学成分与组织同 时改变，因此它比高、中频电感应、火焰淬火等表面淬火硬化方法效果更好。如果渗入元素选择适当，可获得适应零件多种性能要求的表面层。 化学热处理的类别 化学热处理的方法繁多，多以渗入元素或形成的化合物来命名，例如渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗铝、渗铬、渗硅、碳氮共渗、氧氮化、硫氰共渗和碳、氮、硫、氧、硼五元共渗，及碳（氮）化钛覆盖等。 化学热处理应根据零件的性能要求以及工艺的易行性与经济指标，合理地选用工艺类型。例如，渗碳与渗氮可提高零件的耐磨性；但渗碳是在高温 (900 1000 )下进行 ,在不太长的时 间内（ 610 小时）可获得可观的渗层 ,故一般要求硬化层较深 (耐磨零件多采用渗碳处理，既可满足性能要求，又较经济。当零件尺寸变形要求很严时 ,采用低温 (500 600 )进行的渗氮处理 ,可保证零件尺寸精度；但渗氮层增厚缓慢，渗氮时间常需十几甚至几十个小时，是一种不经济的方法 8。 化学热处理的基本过程 化学热处理包括三个基本过程，即 化学渗剂分解为活性原子或离子的分解过程； 活性原子或离子被钢件表面吸收和固溶的吸收过程； 被渗元素原子不断向内部扩散的扩散过程。 - 4 - 渗 碳工艺 渗碳的历史 在各种表面硬化法中，渗碳的历史较久，是机械制造中广泛应用的一种化学热处理工艺。 渗碳法中，固体渗碳历史最长，自十八世纪中期就有应用 9， 1910年美国的煤气炉公司（ o）在卧式回转炉中实现了渗碳 10。但是由于当时的渗碳气氛、渗碳机理、耐热钢和耐火材料等方面尚有许多未解决的问题，所以正式制造工业规模的渗碳炉并投使用是在 1925 年前后，其后做了许多改进，取得顺利发展，同时入渗碳操作走上进一步普及和进步的道路。 渗碳工艺在中国可以上溯 到 2000年以前。最早是用固体渗碳介质渗碳。液体和气体渗碳是在 20世纪出现并得到广泛应用的。美国在 20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。30年代，连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。 60年代高温 (960 1100 )气体渗碳得到发展。至 70年代，出现了真空渗碳和离子渗碳。 碳的原理 渗碳与其他化学热处理一样 ,也包含分解、吸收、扩散 3个基本过程。 1） 分 解： 含碳化合物的分解，形成活形碳原子 (用 C表示 )： 2 C (一氧化碳 ) (二氧化碳 ) 2 C (甲烷 ) (氢 ) 2） 吸附：活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中，使奥氏体中含碳 量增加。 3） 扩散：表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差，表面的碳遂向内部扩散。碳在钢中的扩散速度主要取决于温度，同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。 渗碳的结果取决于上述三个基本过程的关系。通过调整上述三个过程的关系，应满足如下主要的渗碳层质量的要求： 到达规定的渗碳层厚度 (渗碳层厚度之计算，一般是从零件表层开始测量到过渡的二分之一处 )。如渗碳层太薄时，在高负 荷作用下，会使渗碳层压穿，如渗碳太厚，也将 - 5 - 影响渗碳零件的抗冲击能力。 渗碳表层含碳浓度应控制在 围内。如含碳浓度过低 (小于 )，则达不到所要求的高硬度，高耐磨性。如果含碳浓度过高 (大于 ，则过剩碳化物较多，也使渗碳层强度，尤其是疲劳强度下降，特别当碳化物以针状或网状形式存在时由于马氏体被这些脆性组织所割裂，对渗碳层强度起着特别有害的影响。 含碳量沿深度的变化 (也称浓度梯度 )要和缓，表层和心部之间的过渡区无明显分界，以 避免在使用过程中产生渗层剥落现象。 过共析、共析层应占整个渗碳层厚度的 60 70，最低限度应不小于 50，这样，使淬火后得到大致均匀的硬度，也不妨碍对渗碳层的最后研磨。 碳的种类和特点 渗碳的种类按含碳介质的不同可分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳，碳氮共渗。 1) 固体渗碳 所用的渗剂是具有一定粒度的固态物质。它由供渗剂（如渗碳时的木炭）、催渗剂（如渗碳时的碳酸盐）及填料（如渗铝时的氧化铝粉）按一定配比组成。这种方法较简便，将工件埋入填满渗剂的铁箱内并密封， 放入加热炉内加热保温至规定的时间即可，但质量不易控制，生产效率低。 2) 液体渗碳 渗剂是熔融的盐类或其他化合物。它由供渗剂和中性盐组成。为了加速化学热处理过程进行，附加电解装置后成为电解液体渗。在硼砂盐浴炉内渗金属的处理法是近年发展起来的工艺，主要应用于钛、铬、钒等碳化物形成元素的渗入 11。 3) 气体渗碳 所用渗剂的原始状态可以是气体，也可以是液体（如渗碳时用煤油滴入炉内）。但在化学热处理炉内均为气态。对所用渗剂要求能易于分解为活性原子，经济，易于控制，无污染，渗层具有较好性能。很多情况下可用其他气体（如氢、 氮或惰性气体）将渗剂载入炉内；例如渗硼时可用氢气将渗剂 入炉内。等离子体渗法是气体渗的新发展 ,即辉光离子气渗法 ;最早应用于渗氮，后来被应用于渗碳、碳氮共渗、硫氮共渗等方面。气相沉积法也是一种气渗的新发展，主要应用于不易在金属内扩散的元素（如钛、钒等）。主要特点是气态原子沉积在钢件表面并与钢中的碳形成硬度极高的碳化物覆盖层，或与铁形成硼化物等。气体 - 6 - 渗碳适用于大批量生产，易于控制质量和自动化，劳动条件好。 4) 碳氮共渗 以渗碳为主同时渗入氮的化学热处理工艺。共渗时，加到气体渗碳气氛中的氨分解 成氢和单原子氮，氮与来自渗碳气体的碳一起吸附在工件的表面上。由于氮的同时渗入，铁碳的共析转变温度可以降低，使共析转变能在较渗碳为低的温度下进行，因而处理温度较低。同时由于氮的作用，马氏体临界冷却速度（见淬火）也得以降低 ,可在较缓和的淬冷介质中淬冷 ,减小淬冷畸变和开裂的倾向。碳氮共渗层中因有碳氮化物，能提高硬度，从而提高耐磨性。金属工件表面的碳、氮含量和总的渗层深度，决定于气氛中的碳势、温度和时间。碳氮共渗层深度较渗碳的浅，一般为 米。碳氮共渗层淬冷后显微组织为马氏体、残余奥氏体、碳化物和碳 氮化合物，心部为低碳马氏体或含有非马氏体组织。对载荷不大的零件可允许有少量铁素体。碳氮共渗工件的材料一般采用低碳或中碳钢及合金钢，适用于处理耐磨零件和小汽车、轻型载重车变速箱齿轮和驱动轴。碳氮共渗和渗碳一样，也可以控制碳势，处理后也要进行淬火和回火。 种渗碳方式的比较 1) 固体渗碳法 长处： （ a）设备费便宜，操作简单，不需高度技术。 （ b）加热用热源，可用电气、瓦斯、燃料油。 （ c）大小工件均适，尤其对大形或需原渗碳层者有利。 （ d）适合多种少量生产。 短处： （ a）渗碳深度及表面碳浓度不易正确 调节，有过剩渗碳的倾向。处理件变形大。 （ b）渗碳终了时，不易直接淬火，需再加热。 （ c）作业环境不良，作业人员多。 2) 液体渗碳法 长处： （ a）适中小量生產。设备费便宜。不需高度技术。 （ b）容易均热、急速加热，可直接淬火。 - 7 - （ c）适小件、薄渗碳层处理件。 （ d）渗碳均匀，表面光辉状态。 短处： （ a）不适于大形处理件的深渗碳。 （ b）盐浴组成易变动，管理上麻烦。 （ c）有毒、排气或公害问题应有对策。 （ d）处理后，表面附著盐类不易洗净，易生锈。 （ e）难以防止渗碳。有喷溅危险。 3) 气体渗碳法 长处： （ a） 适于大量生产。 （ b）表面碳浓度可以调节。 （ c）瓦斯流量、温度、时间容易自动化，容易管理。 短处： （ a）设备费昂贵。 （ b）处理量少时成本高。 （ c） 需要专门作业知识。 体渗碳 1） 固体渗碳是一种应用最早的渗碳方法。 所用的渗剂是具有一定粒度的固态物质 。 2） 渗碳剂的成份及其作用： 固体渗碳剂主要是由木炭粒和碳酸盐 ( 炭粒是主渗 剂，碳酸盐是催渗剂。 木炭颗粒均匀，并要求 3 60%， 1 30%左右， 1%，如果是大零件渗碳，大颗 粒木炭应多些，小零件，小颗粒应多些。常用的渗碳剂成份 12 如表 1示。 - 8 - 表 1碳剂成分 成分 % 木炭 碳酸钡 碳酸钠 碳酸钙 1 90 2 9053 87 10 3 渗碳加热时，炭与其间隙中的氧作用 (不完全燃烧 )，生成一氧化碳。 2C + 2一氧化 碳在渗碳条件下，是不稳定的，当它与钢件表面接触，便按下式分解得活 性碳原子： 2 C 活性碳原子被钢件表面吸收，并向内部扩散。 整个反反应过程 可用下式示意表示： C + 2 C 工件 单独用木炭进行渗碳，周期长，效果差，为了增加渗碳剂的活性，增加活性碳原子数量，一般加入一定数量的碳酸盐作为催渗剂。催渗剂在高温下与木碳产生如下反应： C(木炭 ) C(木炭 ) 22 C 渗碳过程中，木炭受到了烧损，但催渗剂分解氧化物，在开箱冷却时与空气接触，如按下方程式进行还原，这使催渗剂消耗大为减少。 为了提高催渗剂再生效果，在此介绍一种有效的方法，即将高温下倒出来的渗碳剂，立刻用水喷洒 (水的重量是渗碳剂重量的 4 5%)。通过这样的处理，碳酸盐可得较完全的再生，其原因是： 果在高温下喷水，就能使 氢氧化钡向碳酸钡转变不受温度的限制。其反应如下： H)2 H)2 + - 9 - 喷水还可以减 少木炭的烧损和促进少量甲烷发生，甲烷吸附在木炭的孔隙中，也能加速渗碳。 经过喷水处理的渗碳剂，加少量新渗碳剂便可使用。 3） 配制渗碳剂： 由于全新的渗碳剂催渗作用过于强烈，易导致零件渗碳后表层浓度过高和出现粗大或网状碳化物。因此，一般新旧混合使用，其中新渗碳剂占 20 40%，旧渗碳剂占 60 80%。回收的旧渗碳剂应筛去灰粉后，才能与新渗碳剂配合使用。 渗碳零件，渗碳前的准备处理： 要渗碳的零件，表面应尽可能洁净，不应有严重锈斑及油垢，以免影响渗碳正常进行，造成零件渗碳后深度不均匀和产生软点。 对于要 求局部渗碳的零件，要认真进行防渗，常见的防渗方法有如下几种： 预留余量切除法：即在零件不应渗碳的部位，预先留出比渗碳层稍厚的加工余量，渗碳后再用机械方法把这部分切除。这种方法比较可靠，但材料和工时的损失较大，形状复杂的零件，要切除余量也较困难。而且不能进行直接淬火。 涂料法：用 1 3铅丹和 2 3氯化铜加上占两种材料总量 10 15的松脂混合，溶于有机溶剂 (酒精、汽油 )中成糊状，用毛笔涂于不需渗碳部位，厚度约 燥后再涂一层。 镀铜法：在不需要渗碳的部位用电镀方法镀上厚度为 铜层，可以比较可靠的防止碳的渗入 。 装箱： 渗碳箱一般用钢板焊成或铸铁铸成，渗碳箱不宜过大，其外形尺寸应尽可能适合工件的要求，箱子最好与炉底板架空，受热均匀。 在生产中，往往发现这样一种现象，由于渗碳箱过大，造成内外温差大 (渗碳剂是不良的热导体 )，结果同一箱零件 (外缘和中心 )渗碳层极不均匀，故对渗碳箱的设计，必须考虑零件大小，形状。同时应根据零件大小，渗碳时选用合适的渗碳箱，尽可能做到近似尺寸的零件同炉渗碳，尽量避免尺寸相差悬殊的零件同炉渗碳或小件用大箱渗碳。 零件装箱时，在渗碳箱底部先 铺上一层渗碳剂 (厚 30 40随后即往箱内放工件，工件间距须保持 10 15件和箱壁的距离则为 20 25 - 10 - 装好一层工件后，铺上一层渗碳剂并细心捣实，然后放上第二层工件，上下两层工件之间渗碳剂厚度为 15 25在装工件的同时，应装上试棒，试棒放置位置应尽可能的反映工件的实际渗碳情况。 在箱内放入最后一层工件后，上面放的渗碳剂厚度不得小于 30 40 装箱好后，用耐火粘土 (加上 3 5%)食盐加水调好进行封盖，以防止在渗碳过程中渗碳气体的逸出。 渗碳箱封 好后，即在箱盖上插入长试棒一根，同时也用耐火粘土封好试棒与箱盖孔之间隙，如零件为低碳钢，试棒材料应与零件相同，如零件为低合金或中合金钢，试棒可用 20#钢制成，试棒直径可用 10 12插入深度为接近上层零件之间。 装炉与升温： 零件可在低温入炉并用分段升温的方法。但对于连续生产，这种方法不经济，故通常采用高温入炉的方法。 由于固体渗碳时零件装于密封的渗碳箱内，热量要通过箱壳及箱内渗碳剂传递到零件上，如果控制不当，容易造成炉温与零件实际温度或箱内表层和中心的温度差很大，零件渗碳深度不均匀。因此，一般 制定工艺时，均在炉温升到820 850 范围保温一段时间，使备部分温度均匀一致后，才以缓慢的加热速度升至900 930 的渗碳温度。 保温时间： 零件在渗碳温度下需要保温时间视渗碳层深度要求而定，表 116。 表 1层深度与保温时间的关系 渗碳温度（） 880 990 920 940 960 980 渗层深度（ - 11 - 响渗碳工件质量的因素 渗碳处理后工件质量指标包括表面碳浓度、渗碳层深度、沿渗碳层深度的碳浓度分布、渗碳层组织状态、以及工件的表面力学性能等几方面。 碳处理的意义 渗碳处理的意义是 :提高表面层的耐磨性 (碳含量高的 M),同时保持心部有高的耐冲击能力 ,即强韧性 . 将含碳 (钢放到碳势高的环境介质中 ,通过让活性高 的碳原子扩散到钢的内部 ,形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层 ,再经过淬火回火 ,使工件的表面层得到碳含量高的 M,而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的 M,M 的硬度主要与其碳含量有关 ,故经渗碳处理和后续热处理可使工件获得外硬内韧的性能 。 题研究的内容 本课题研究的内容有： （一） 20 钢未经渗碳处理和渗碳处理后的金相组织和硬度。 （二） 20 钢经渗碳以后不同的热处理对金相组织和硬度的影响。 2 20 钢固体渗碳的过程 机械零件经过渗碳工艺处理后，由于其表层化学成分及金相组织的改善，使其力 学性能有了明星提高，怎样进一步提高其硬度、耐磨性、冲击韧性等研究越来越为人们所关注。 验前的准备 验材料的选用 表面渗碳一般情况下用于低碳钢的处理， 低碳钢 (称 软钢 ，含碳量从 常见的渗碳钢有 20： 08、 10、 15、 20、 25 - 12 - 碳钢， 1520251520 202020202002020实验我们选用 20钢渗碳。 20钢 强度比 15 号钢稍高，很少淬火，无回火脆性。冷变形塑性高、一般供弯曲、压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹。切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。 20 钢的化学成分 20： 表 220 钢的化学成分 碳 C 硅 S 磷 P 铬 渗碳方法的选择 由于固体渗碳设备费便宜，操作简单，不需高度技术，加热用热源，可用电气、瓦斯、燃料 油，大小工件均可，尤其对大形或需原渗碳层者有利，适合多种少量生产 。所以本实验选用固体渗碳方法。 固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与 15% 20%的碳酸盐扽混合物。木炭提供渗碳所需的活性碳原子，碳酸盐起催化作用。 验设备的选用 本实验用到的设备有： 1) 箱式渗碳炉 （渗碳用） - 13 - 图 2箱式渗碳炉 2) 箱式渗碳炉（回火用） 图 2箱式渗碳炉 3) 抛光机 - 14 - 图 2抛光机 4) 立式金相显微镜 图 2立式金相显微镜 - 15 - 5) 硬度测定仪器 图 2硬度测定仪器 碳工艺参数的确定 1) 渗碳碳势的选择 碳势与炉气内的气相组成有关，反映的气氛的渗碳能力，碳势越高，渗碳的速度越快，渗层的碳浓度越高，越容易生成碳化物，碳化物数量越多。但碳势过高，由于会出现炭黑，而造成碳势控制的失败，渗碳不均匀，炉子合金和耐火材料粘污等，清理成本增高和工作条件变换。所以选用比较常用的 碳势控制在 间。 2) 渗碳温度的选择 温度的 影响始终是渗碳过程中不可忽视的重要因素。随着渗碳温度的升高，在相同参数下，碳化物极限值将会降低。这是因为渗碳温度越高，碳在钢中的固溶度越大，因而碳在奥氏体中的活度值增大。 其次，温度是制约碳化物形态、尺寸、大小和分布的重要因素之一，低温渗碳有利于碳化物的形成，因为低温时，碳在奥氏体中饱和 度低，且在奥氏体中的活度高，在炉气较低碳势下就可以达到饱和渗碳 18、 19、 20、 ，这样，过饱和奥氏体中的碳不仅沿奥氏体晶界析出碳化物，同时在晶内也形核。因为温度低，聚集长太慢，所以获得弥散 - 16 - 且均匀分布提供了有利条件。 渗碳 温度对于渗碳速度有很大影响，碳在奥氏体中的扩散系数随着温度的升高而呈指数增加大，同时碳在奥氏体中的溶解度也随着温度的提高而增加。因此，在同样的时间内，渗碳温度增加 100 摄氏度几乎可使总的深层深度增加一倍，但神坛的温度过高，渗层的晶粒增大，碳化物聚集长大，将严重影响深层的质量。还要考虑设备的承受能力与加热时间的成本计算。所以我们选用 930和 790作为本次实验的渗碳温度。 3) 渗碳时间的选择 为了使渗碳工艺具有一定的实用性，深层必须达到一定的厚度，根据实际情况我们设定厚度为 据深层厚度在实验中确定最终的 渗碳时间为 5小时。 验试样的制备 1) 从实验室选用一段 20钢 。 图 220 钢选用 2) 用 6140车床去除表面的 锈斑及油垢 - 17 - 图 2用车床车去表面一层 3) 用 6123万能 铣床把材料洗 7个 20*10*10的长方体图 2万能铣床 - 18 - 图 2加工出的实验样品 4) 用 200#、 400#、 800#的沙纸磨长方形块 图 2加工试样用的砂纸 5) 装入渗碳箱 - 19 - 图 2渗碳箱 6) 将装有渗碳剂和铁块的渗碳箱用泥密封以后装入最高温度为 1000的箱式渗碳炉内，将温度调至 930 以后， 经过一段时间的预热温度到 930以后开始计时，加热五小时。 图 2箱式渗碳炉 - 20 - 碳实验方案 方案一：渗碳后直接淬火低温回火 图 2直接淬火低温回火方案 方案二：一次加热淬火后低温回火 9300 图 2一次加热淬火后低温回火方案 表 2渗碳后铁块的编号及处理 方法 编号 处理 渗碳后空冷 渗碳后淬火 渗碳 9300 渗碳后随炉冷 7900 7900 不处理样品 9300 5h 1800C 2h t 5h 7900C 800C 2h t - 21 - 3 渗碳实验结果分析 碳以后硬度的分析 20 钢经不同热处理以后硬度的测定 在渗碳及渗碳以后各种热处理以后，用设备测试每个样品的硬度 。各个硬度值如表所示：（用维氏硬度 示） 表 2用不同方法处理后的硬度值 编号 处理 硬度（ 渗碳后空冷 114 渗碳后淬火 157 渗碳 930096 渗碳后随炉冷 79 7900187 7900142 不处理样品 60 硬度的分析 1) 由 、 、与 硬度 值的差别，分析得出渗碳以后 20钢的硬度明显比渗碳之前高， 因为，渗碳以后 20 钢表面渗入大量碳原子，使 20 钢表面达到高碳钢的含碳量，所以表层硬度明显提高。 2) 由 、 与 的硬度值比较得出 ，淬火以后获得了马氏体，提高的钢的力学性能。淬火是强化刚的主要手段，是最重要的热处理工艺，是热处理中应用最为广泛的工艺之一。 3) 、 的硬度值比较得出 ，一次淬火可以使钢的组织得到一定程度的细化，从而提高了 表面的硬度和耐磨性。 4) 、 的硬度值比较得出 ，直接淬火以时，由于渗碳温度高，奥氏体晶粒长大，淬火后马氏体较粗，残余奥氏体增多，耐磨性和韧性较差。而经过低温回火以 - 22 - 后，能消除淬火应力和提高韧性，表面获得细小的片状马氏体，及少量的渗碳体，。 5) 、 与 比较的 得出， 20 钢经渗碳、淬火和低温回火以后，表面硬度较高，耐磨性较好，因为表面形成了细小的片状马氏体及少量渗碳体。而心部韧性较好，硬度 较低。疲劳强度高表层体积膨胀大，心部体积膨胀小，结果在表层中造成压应力，使零件的疲劳强度提高。 渗碳以后金相分析 相观察 将渗碳后的试样用 200#、 400#、 800#的金相砂纸进行研磨再抛光，最后用 4%的硝酸和96%的酒精进行腐蚀。 将腐蚀好的样品用立式金相显微镜进行分析，其照片见下图。 图 320 钢样品组织（ 200 倍 ） 20 钢样品组织（ 400 倍 ） - 23 - 图 320 钢渗碳空冷后表面组织的组织（ 200 倍） 20 钢渗碳空冷后的组织（ 400 倍） 图 3渗碳后随炉冷表面组织（ 200 倍） 渗碳随炉冷后组织（ 400 倍） 图 3渗碳淬火后表面组织（ 50 倍） 渗碳淬火后内部组织（ 400 倍） - 24 - 图 3一次淬火后组织（ 100 倍） 图 3930淬火后低温回火（ 100 倍） 图 3790淬火后低温回 火（ 50 倍） 相分析 1) 由图 3金相图可以看出， 20 钢在没有渗碳时，由铁素体和珠光体组成，是亚共析组织。 2) 由 33可以看出，当低碳钢渗碳缓冷后，表面为珠光体和二次渗碳体，属于过共析组织，而心部仍为原来的珠光体和铁素体，中间为过度组织。工件中磨损轻接触应力小的零件，渗碳层可以薄些，而渗碳含碳量低时，渗碳层可以后些。一般机械零件的渗碳层厚度在 2次渗碳层厚度平均为 3) 由 320钢在渗碳淬火后由表面组织为，细小针状马氏体 +少量残留奥氏体 +细小颗粒状碳化物；过度层的组织为，高碳马氏体 +残留奥氏 - 25 - 体；心部组织为低碳马氏体。 4) 由 3金相图可以看出，在渗碳缓慢冷却以后，重新加热 到临界温度以上保温后淬火，与直接淬火相比，一次淬火可以使钢的组织得到一定程度的细化。心部组织要求高时，一次淬火的加热温度略高于 火温度应选在 0 50，使表层晶粒细化，而心部组织无大改善，性能略差一些。 5) 由 33金相图可以看出，经过低温回火以后，得到由细小的 阶段淬火应了、力部分消除，纤维裂纹大部分填合。与淬火马氏体相比，回火马氏体既保持了钢的硬度、高强度和良好的 耐磨性又适当提高了韧性。 - 26 - 结论 本文 对 20钢进行渗碳处理后，通过对其金相组织和硬度的研究，得出以下结论： 1 0钢表面渗入碳原子的化学热处理，可以改变 20钢化学成分和组织，使其表面达到高碳钢的含碳量，提高表层硬度，增强表面的抗磨损能力，同时保持心部的良好韧性，使其达到能够抵抗冲击载荷的技术要求。 2. 为了充分发挥渗碳层的作用，使渗碳表面获得高硬度和高耐磨性，心部保持足够的强度和韧性，渗碳以后必须进行淬火加低温回火的热处理工艺。 3渗碳后直 接淬火虽然具有生产效率高，成本低，氧化脱碳等优点，但是由于渗碳温度高，奥氏体晶粒长大，淬火后马氏体较粗， 残余奥氏体 也较多，所以耐磨性和韧性较差。只适用于本质细晶粒钢和耐磨性要求不高的或承载低的零件。 4在渗碳缓慢冷却以后，从新加热到临界温度以上保温后淬火，可使钢的组织得到一定程度的细化。 5. 经淬火后得到的马氏体性能很脆，存在组织应力，容易产生变形和组织开裂，并且淬火后得到了不稳定的淬火马氏体和少量残余奥氏体组织，在工作中会产生分解，导致零件尺寸变化，所以淬火以后一般不直接使用，必须进行回火。回火时，不 稳定的淬火马氏体和残余奥氏体会转变为稳定的铁素体和渗碳体或碳化物的两混合物，从而保证了工件在使用过程中形状和尺寸的稳定性。 - 27 - 参考文献 1 侯书林，朱海，徐杨，陈晖 工程材料及热加工工艺基础 .D北京大学出版社， 2006. 2 谷春瑞，王桂新 M 2009. 3 潘健生，胡明娟 D 2006. 4 唐殿福，卯石刚 D 5 李炯辉 M. 机械工业出版社 ,2006. 6 冯再新 碳 温挤”成形技术 .D20