1 化学热处理.ppt

1、化学热处理与表面淬火,河北工业大学 教授 材料科学系 主任 武建军 博士,热处理工艺,材料的组织和性能受成分、加工工艺的影响，改善钢的性能主要有合金化、热处理、塑性变形等途径。 热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，改变材料的组织结构，从而获得所需性能的加工工艺。比较重要的部件一般都需要进行热处理，比如汽车、拖拉机工业中70 80%的零件、工具模具等都需要进行热处理。,1 钢的化学热处理原理,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。 根据渗入的元素来命名 渗碳

2、、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， 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,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 +C 影响因素： 反应温度 介质浓度 催化剂种类等,化学热处理的基本过程吸收,活性原子首先被零件表面吸附，进而溶解或发生反应。 根据作用力性质，分为化学吸附和物理吸附。 影响因素： 温度 表面活性 表面面积等,化学热处理的基本过程扩散,扩散是由于原子等微粒热运动引起的物质传输现象。 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

3、溶体，或化合物）,扩散的阻力和条件,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）， 不是所有原子都可以移动的！阻力大小不易改变 因此必须在满足以下条件才能实现 （1）扩散原子能固溶； （2）具有驱动力：如浓度梯度，温度梯度。 （3）温度足够高； （4）时间足够长；,扩散定律,菲克（A. Fick）于1855年通过实验获得了关于稳定态扩散的第一定律，其数学表达式为 即在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散流量J与浓度梯度成正比， 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,温度 晶体结构 固溶体类型 浓度 晶体缺陷,

4、扩散方程的一个解,纯铁渗碳时，在碳势不变的气氛中，C浓度分布的试验结果与计算结果符合很好,高斯误差函数,抛物线规律,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。 对于一定界面C， 为定值； 即 渗层厚度x符合 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。 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。,2 钢的渗碳,目的：提高表面含碳量，从而提高表面硬度、强度、耐磨性 举例：轴承，拖拉机变速齿轮 方法：气体，离子，真空，固体等 渗碳用钢：低碳钢或低碳合金钢：20钢、20Cr 18

5、CrMnTi、 、20CrMnTi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 常用温度： 900950？,渗碳件主要技术要求,碳势：1%，根据性能要求而定 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6070 深层深度：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,提高切削加工性（主要） 为渗碳淬火作组织准备（次要） 多采用正火处理,气体渗碳滴注式,介质：苯、醇、煤油等液体 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

6、入煤油、苯、甲醇、丙酮等有机液体，在高温下分解成CO、CO2、H2及CH4等气体组成的渗碳气氛，在高温下与工件接触时便在工件表面进行下列反应，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。,介质选择原则,碳氧比大于1，必要条件 目前，常采用两种或以上介质搭配，控制碳势及成本 安全性 经济性： 产气量大 碳当量大 便宜，易得,滴注式气体渗碳,操作要点 表面清洁； 同一炉零件材料、技术要求相同； 炉内正压，废气点燃； 零件之间气氛流通； 经常校对碳势； 严禁在750以下向炉内滴入有机液体，防爆,滴注式气体渗碳工艺,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 排气

7、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 渗碳阶段：正压150200Pa，用富碳渗剂滴量控制碳势。两段法渗层碳浓度梯度小，结合好，渗速较快 降温阶段：降温至出炉温度,气体渗碳的优点：生产率高，劳动条件好，渗碳过程容易控制，容易实现机械化、自动化，适用于大批量生产。,吸热式气氛渗碳,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。 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 （一般）用于连续作业炉，常用即可 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

8、制,固体渗碳,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+O22CO BaCO3或Na2CO3BaO（或Na2O）+CO2 CO2+C 2CO 2COC+CO2,固体渗碳的特点,优点： 设备简单，不需要专门设备 适应性大， 操作简单 缺点： 劳动强度大，工作条件差 质量不易控制（温度，碳势） 淬火麻烦,液体渗碳,盐浴中加热，实现渗碳 盐浴中含有加热介质，如NaCl，供碳物质，如NaCN，和催渗剂,如NaCO3 优点：变形小，渗速快，渗层均匀 缺点：对人有毒，环境污染，,真空和离子渗碳,

9、真空渗碳是真空中加热、在负压渗碳气氛中进行渗碳的工艺方法 真空渗碳包括两个工艺过程。一是供碳使金属吸收碳，二是使碳扩散达到一定深度。可以组合成各种方法 在真空渗碳和离子氮化的基础上，提出了真空离子渗碳工艺,真空渗碳的优点,渗速快：因为采用高温高碳势渗碳，真空表面净化等原因，时间可以节省1/31/2 渗层均匀：到温后同时渗碳，与常规渗碳边升温边渗碳不同；由于采用脉冲式供碳，使得深凹处，甚至盲孔也能获得满意的效果 炉温均匀，渗碳时间和扩散时间容易精确控制，工艺重现性好 表面活化可实现深层渗碳，可达7mm 气源不同，不使用含有CO,CO2,H2O的介质，不会发生内氧化以及其它反常组织 节能环保等,渗

10、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),渗碳后热处理,热处理方法与钢种、力学性能要求有关,直接淬火,直接淬火法 预冷至850880后直接淬入油中或水中，180200进行低温回火。预冷目的 ：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，但在高温下长期保温，奥氏体晶粒易长大，影响淬火后工件的性能，故只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

11、生产的汽车、拖拉机齿轮常用此法。,一次淬火法,工件经渗碳空冷后，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,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180200进行回火。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；工件经反复加热冷却后

12、易产生变形和开裂。所以只适用于少数对性能要求特别高的工件。,渗碳零件应用举例,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 正火：消除锻造应力，细化晶粒，调整硬度，改善切削加工性 渗碳淬火：提高齿面强度、硬度、耐磨性 低温回火：消除淬火应力，提高韧性,渗碳工件的最终组织,低温回火后 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

13、+铁素体，硬度为3545HRC。,渗碳件质量检验项目,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 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。 按工艺要求，可以检验 硬度：一般用HRC 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 金相组织：淬硬层，心部组织,渗碳常见缺陷及预防,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) 渗层出现大块或网状碳化物:碳势过高 渗层深度不均：温度不均、循环不良，表面不清洁，表面积炭 心部偏软或偏硬：与淬火温度高低、冷却快慢，心部含碳量有关 表面出现非马氏体组织：形成合金元素的氧化物，降低表面

14、淬透性,3 渗氮（氮化）,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。 氮化特点 表面硬度高： 8501100 HV，形成多种化合物 温度低、变形小、 500570 渗层薄、时间长 :一般需要2050 h，氮化层厚度只有0.30.5 mm 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%35%； 高的耐蚀性能致密的耐蚀的氮化物，使工件在水、过热的蒸气

15、和碱性溶液中都很稳定；,渗氮方法,气体渗氮：周期长，操作复杂，质量不稳定。质量控制措施： 阶段升温，温度均匀； 控制氨分解率：较低，氮势高（早期强渗）；较高，脆性降低（后期扩散，60%） 较快的冷却可降低脆性 离子渗氮：快，脆性小，环境好 盐浴渗氮；QPQ,气体氮化,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。,氨分解率,分解得到的氮、氢气体占炉气体积的百分比 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； 如果氨分解率过低

16、，提供的活性氮原子很少，也降低氮化速度 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） 氨分解率与温度、氨气流量、工件表面积、有无活性剂等有关,气体氮化工艺,温度：500570 时间：根据深度确定 氨分解率：在温度一定时，通过控制氨分解率 控制氮势 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）,离子氮化,在低于一个大气压（常用110mmHg）的渗氮气氛中，在工件(-)和炉壁(+)之间接01000V直流电，氨气被电离成含氮和氢的正离子和电子，利用工件(阴极)和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺称为离子渗氮。 氮离子在电场中加速

17、，高速轰击工件表面，动能热能，实现工件加热；同时氮离子在阴极表面还原成氮原子被工件表面吸收形成渗氮层。氮离子轰击工件表面时，还能产生阴极溅射效应,离子渗氮特点,速度快、周期短。38CrMoAlA要达到0.530.7mm深的渗层， 1520h（气体渗氮法50h）。 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强度。 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9001000mm、外径27mm的螺杆，渗氮后其弯曲变形小于5m。,离子渗氮,工艺特点： 对材料的适应性强。渗氮用钢、

18、碳钢、合金钢和铸铁都能进行离子渗氮，但专用渗氮钢（如38CrMoAlA）效果最佳。 氨气利用率高，对环境影响小 缺点：投资高，温度分布不均，测温困难和操作要求严格等。,氮化应用,应 用：交变载荷下工作并要求耐磨的重要结构零件，如高速传动的精密齿轮、高速柴油机曲轴、高精度机床主轴及在高温下工作的耐热、耐蚀、耐磨零件如齿轮套、阀门、排气阀等。 技术要求：需选用含与N亲合力大的Al、Cr、Mo、Ti、V等合金元素的合金钢，如38CrMoAlA、35CrAlA、38CrMo等。,技术要求与工艺路线,技术要求：应注明氮化层深度、表面硬度、氮化部位、心部硬度等，对于零件上不需渗氮的部位镀锡或镀铜保护，或增

19、加加工余量、氮化后去除。 工艺路线：锻造正火粗加工调质 精加工去应力粗磨氮化 精磨或研磨,渗氮钢的预处理,氮化处理后只能进行磨削、研磨加工 为了保证心部具有良好的力学性能，消除加工应力，减小氮化时的变形，以及为氮化做好组织准备，一般需要进行调质处理，以获得回火索氏体组织 对变形和尺寸稳定性要求较高的需要进行稳定化处理（高于氮化温度但是低于回火温度，46h保温）,4 钢的碳氮共渗,碳氮共渗是同时向工件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺 。 按照共渗温度，可以分为高温(900950C)、中温(700880C)和低温(500600C)碳氮共渗三种，其中以中温与低温气体碳氮共渗应用较多。,中温气体碳氮共渗

20、,以渗碳为主，其工艺与气体渗碳相似。 共渗温度比渗碳温度低，变形小，渗速也快。常用温度820880，要求的渗层厚度一般为0.21.0 mm 。近年来，深层碳氮共渗代替渗碳，效果很好。 中温碳氮共渗的共渗层硬度与渗碳层相当或略高，耐磨性和疲劳强度则优于渗碳层，且具有加热温度低，工件变形小、生产周期短等优点。 常用于处理形状复杂、要求变形小的耐磨零件，如缝纫机、纺织机零件及各种轻载齿轮等。,工艺参数,共渗介质：渗碳介质氨气；含碳氮的有机化合物（如三乙醇胺，甲酰胺等），我国常用煤油和氨气 温度：820860 时间：根据深度要求来决定,气体碳氮共渗气氛控制,滴油量1520滴/m2min，通氨量为煤油气

21、化以后体积的4050% 换气次数2.53.0次/h 大剂量排气可以缩短排气时间 密封，炉压294490Pa,废气火苗高度120150mm,碳氮共渗组织与性能,与渗碳组织类似，直接淬火后典型组织为：细针状马氏体A+碳氮化合物 含氮量过高，容易出现黑色组织 含氮量过低，容易实现屈氏体组织,黑色组织及预防,黑色组织指碳氮共渗层中出现的黑点、黑带和黑网。降低疲劳强度和耐磨性 控制途径 氨气流量适中（渗层氮含量适中0.30.5%) 适当提高淬火温度； 采用强冷却介质； 黑色组织深度0.02mm喷丸强化补救。,氮碳共渗,共渗温度在520570之间，13 h，渗层厚度为0.010.02 mm。生产周期短 介

22、质：尿素、甲酰胺、氨气渗碳介质等 低温气体碳氮共渗以氮化为主，但硬度较低，称为气体软氮化。 共渗层具有较高的硬度、耐磨性和高的疲劳强度。渗层具有一定韧性，不易发生剥落，并有减摩的特点 由于渗层较薄，一般用于机床、汽车的小型轴类和齿轮等零件，也可用于工具、模具的最终热处理。,5 其它化学热处理,渗硼：极高的硬度； 渗硫：降低摩擦系数，抗咬合 渗铝：抗氧化，防腐 镀锌：防大气腐蚀 多元共渗：大多以提高耐磨性为目标,6 钢的表面淬火,对于表面和心部要求不同的零件，不仅需要整体热处理，往往还需要进行表面淬火或化学热处理来满足上述要求。 表面淬火是采用快速加热的方法将工件表面层奥氏体化后淬硬到一定深度，

23、而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火法。 根据加热方法不同，表面淬火法主要有感应加热表面淬火，火焰加热表面淬火，电接触加热表面淬火，以及电解液加热表面淬火等几种。目前感应加热和火焰加热表面淬火法应用较为普遍。,有需求：如汽车、拖拉机上的传动齿轮，其表面硬度要求为5862HRC，而心部硬度则要求为3338HRC；精密镗床主轴，要求其与滑动轴承配合的表面硬度不低于900HV，而心部硬度为248286HBS。 成本低： 方法简单：通过快速加热与立即淬火冷却相结合的方法来实现表硬、心韧,交流电的电流分布规律,集肤效应：交流电通过导体时，导体表面的电流密度较大，中心的电流密度较小；频率越高，集肤效应约明

24、显 临近效应：两相邻导体通过电流时，如果电流方向相同，由于磁场的相互作用，电流主要集中在外侧；如果电流方向相反，电流主要集中在内侧 圆环效应：交流电通过圆环或螺旋状导体时，因外侧自感反电动势较大，圆环内侧获得较大电流密度 尖角效应：将零件放在交变磁场中时，尖角或凸出部位通过的磁力线更多，感应电流也较大,感应加热原理,把钢件置于线圈内，当感应线圈中通过交变电流时，在工件内产生涡流。 由于集肤效应和临近效应的联合作用，集中于表层的电流可使表层迅速加热，在几秒钟内即可使温度上升800 1000。 随即喷水冷却，使工件表层淬硬。,硬度分布,感应加热淬火的特点与应用,硬度高：加热速度极快，从而使转变温度

25、提高，达到细化晶粒的目的。由于晶粒细小，强化了组织。 氧化脱碳轻微，变形小 表面压应力，耐疲劳 如：机床主轴、齿轮，可选45钢整体调质，然后轴颈、齿部进行表面淬火+低温回火处理。,感应加热种类,感应加热淬火的淬硬层深度除与加热功率、加热时间有关外，还取决于电流的频率。电流频率越高，集肤效应越明显，得到的淬硬层越浅。根据电流频率的不同，感应加热可分为高频加热、超音频加热、中频加热和工频加热,500/f1/2 式中：为电流透入的 深度，mm； f为电流频率，Hz,感应加热表面淬火的分类,高频701000kHz，常用200300kHz，淬硬深度为0.52mm。中小模数齿轮、轴类零件等。 超音频204

26、0kHz，(音频20kHz)，淬硬深度在2mm以上，适用于模数为36的齿轮及链轮、花键轴、凸轮等。 中频50010000Hz，常用25008000Hz，淬硬深度210mm，直径较大的轴类和较大模数的齿轮等。 工频50Hz，淬硬深度达1015mm。直径大于300mm的轧辊及轴类零件等。,感应加热淬火工艺,工艺参数包括电参数和热参数 热参数包括加热温度、加热速度和时间； 电参数包括电源频率、表面比功率 以及与输出功率相关的阳极电压、阳极电流、槽路电压、栅极电流等 生产上，一般通过调节电参数来控制输出功率，控制热参数,加 热 方 式,加热方式有同时加热一次淬火和移动加 热连续淬火两种, 根据设备条件和零件形 状尺寸而定。 比 功 率： 同时加热0.54kW/cm2; 移动加热1.5kW/cm2 例如短轴、小齿轮可以同时加热一次淬火， 而长轴、齿宽较大的中模数齿轮、 特大齿轮一般用连续加热淬火,同时加热淬火的加热参数主要是设备输出功率（可以换算比功率）