材料表面改性第7章

1、第第 7 章章 热处理与化学热处理热处理与化学热处理本章重点本章重点碳钢的分类与应用碳钢的分类与应用铁碳合金相与铁碳合金相与Fe-Fe3C相图相图钢在热处理过程中的组织转变钢在热处理过程中的组织转变滴注式气体渗碳的原理及工艺流程滴注式气体渗碳的原理及工艺流程7.1 钢的合金化原理钢的合金化原理钢可看作以铁为基的合金，其点阵结构由铁决定。钢可看作以铁为基的合金，其点阵结构由铁决定。铁碳合金铁碳合金碳钢：碳含量碳钢：碳含量0.03% 2.11%。生铁：碳含量生铁：碳含量2.11%4.3%。合金：合金：通过熔炼、烧结或其它方法将一种金属同通过熔炼、烧结或其它方法将一种金属同一种一种或几种其它元素结合

2、在一起所形成的具有金属特性的或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质新物质。7.1.1 碳钢概论碳钢概论由于原材料、冶炼方法和工艺操作的影响，钢中除碳外还有少量其由于原材料、冶炼方法和工艺操作的影响，钢中除碳外还有少量其它元素（硅、锰、硫、磷、铜、铬、镍等），通常视为杂质或残余它元素（硅、锰、硫、磷、铜、铬、镍等），通常视为杂质或残余元素，而不认为是合金元素。元素，而不认为是合金元素。 碳素钢常存在的杂质碳素钢常存在的杂质 合金钢合金钢以合金化为目的在碳钢中加入一定含量范围的以合金化为目的在碳钢中加入一定含量范围的合金元素合金元素，使钢的使钢的使用性能使用性能与与工艺性能工艺性能得

3、以提高得以提高, ,这种钢称为这种钢称为合金钢。合金钢。硅、锰、铬、镍、硅、锰、铬、镍、钨、钼、钒、钛、钨、钼、钒、钛、铌、锆、铝、铜、铌、锆、铝、铜、钴、氮、硼钴、氮、硼钢的分类钢的分类钢的编号与用途钢的编号与用途 碳素结构钢（如碳素结构钢（如Q235）：）：建筑工程（钢筋、钢管、钢轨）建筑工程（钢筋、钢管、钢轨） 优质碳素结构钢优质碳素结构钢（如（如50Mn）：机器制造（齿轮、轴承、弹簧）机器制造（齿轮、轴承、弹簧） 碳素工具钢（如碳素工具钢（如T9A）：）：量具、刃具、模具量具、刃具、模具 特殊功能钢（如特殊功能钢（如0Cr17Ni12Mo2）：）：耐热钢、不锈钢、电工钢耐热钢、不锈钢、

4、电工钢7.1.2 合金钢中的相组成合金钢中的相组成组元：组元：组成合金最基本的、能独立存在的物质。组成合金最基本的、能独立存在的物质。 组元与相组元与相相：物理与化学性能相同，并与系统中其它部分相：物理与化学性能相同，并与系统中其它部分以界面分开的均匀组成部分。以界面分开的均匀组成部分。组织：采用金相观察法分辨出的微观特征与形貌。组织：采用金相观察法分辨出的微观特征与形貌。化学成分或晶体结构化学成分或晶体结构微观形貌微观形貌碳素钢显微组织碳素钢显微组织铸铁显微组织铸铁显微组织 固溶体固溶体合金的相结构合金的相结构合金组元通过溶解形成合金组元通过溶解形成成分和性能均匀，晶型成分和性能均匀，晶型与

5、一种组元相同的固相。与一种组元相同的固相。绝大部分合金元素可以与绝大部分合金元素可以与铁形成置换固溶体，而铁形成置换固溶体，而碳碳、氮氮等元素形成间隙固溶体。等元素形成间隙固溶体。合金组元相互作用形成晶格类型和特性完全不同于任一合金组元相互作用形成晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。组元的新相。 金属化合物金属化合物 金属与碳、氮、硼、氢形成的化合物金属与碳、氮、硼、氢形成的化合物例如：碳素钢中的例如：碳素钢中的Fe3C、高速钢中的、高速钢中的W2C 金属间化合物金属间化合物例如：例如：超硬铝中的超硬铝中的MgZn2特点：熔点与硬度高，使合金耐磨性提高，塑性与韧性特点：熔点与硬度高，使合金

6、耐磨性提高，塑性与韧性降低，脆性大。降低，脆性大。铁碳合金相铁碳合金相 铁素体铁素体：碳溶解到碳溶解到-Fe中的中的间隙间隙固溶体，体心立方，强固溶体，体心立方，强度与硬度低，塑性与韧性好度与硬度低，塑性与韧性好。 奥氏体：奥氏体：碳溶解到碳溶解到-Fe中的中的间隙间隙固溶体，面心立方，固溶体，面心立方，顺顺磁性，很软，塑性好磁性，很软，塑性好。面心立方模型，如面心立方模型，如-Fe、Cu、Ni、Al、Ag体心立方模型，如体心立方模型，如-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W 渗碳体：渗碳体：碳、铁形成的稳定化合物（碳、铁形成的稳定化合物（Fe3C） 特点特点：230 以下有弱铁磁性，硬度高，无塑性

7、与韧性，脆以下有弱铁磁性，硬度高，无塑性与韧性，脆性极大。性极大。 碳、铁原子可被其它原子置换，形成合金渗碳体，如碳、铁原子可被其它原子置换，形成合金渗碳体，如(Fe,Mn) 3C 珠光体：珠光体：铁素体与渗碳体的复相组织。铁素体与渗碳体的复相组织。 类型类型：片状、粒状。：片状、粒状。 特点特点：强度与硬度高，塑性与韧性差。：强度与硬度高，塑性与韧性差。 莱氏体：莱氏体：凝固过程中渗碳体与奥凝固过程中渗碳体与奥氏氏体的形成的共晶体。体的形成的共晶体。 特点特点：硬度高，塑性差。：硬度高，塑性差。综上，奥氏体、综上，奥氏体、铁素体、渗碳体（室温下主要相）铁素体、渗碳体（室温下主要相）是铁碳是铁

8、碳合金的基本相，珠光体和莱氏体是基本组织。合金的基本相，珠光体和莱氏体是基本组织。片状珠光体片状珠光体粒状珠光体粒状珠光体Fe-Fe3C相图相图 热处理（热处理（heat treatment）加热加热保温保温冷却冷却温度温度时间时间临界温度临界温度热处理工艺曲线热处理工艺曲线7.2 表面热处理表面热处理时间和温度时间和温度 热处理起作用的主要因素：热处理起作用的主要因素：将钢在固态下，通过适当将钢在固态下，通过适当的方式进行加热、保温和的方式进行加热、保温和冷却，以改变材料内部组冷却，以改变材料内部组织结构，从而改善材料性织结构，从而改善材料性能的一种工艺方法。能的一种工艺方法。热处理的意义热

9、处理的意义 提高机器零件质量提高机器零件质量 延长工模具使用寿命延长工模具使用寿命 充分发挥金属材料性能充分发挥金属材料性能热处理的工艺方法热处理的工艺方法 表面热处理表面热处理：仅对零部件仅对零部件部分表层部分表层加热、冷却，从而加热、冷却，从而改变表层改变表层的的组织和性能组织和性能而而不改变成分的工艺。不改变成分的工艺。 目的：目的：通过表面层相变强化工件表面。通过表面层相变强化工件表面。温度/AccmAc3Ac1ArcmAr3Ar1AcmA1A3wc/%O钢在实际加热、冷却时的临界点钢在实际加热、冷却时的临界点GS平衡转变温度：平衡转变温度： A1 、 A3、 Acm加热时的实际临界点

10、：加热时的实际临界点： Ac1 、 Ac3、 Accm冷却时冷却时的实际临界点：的实际临界点： Ar1 、 Ar3、 Arcm过热度、过冷度过热度、过冷度表面淬火的原理表面淬火的原理 表面层快速加热，温度由表及里逐渐降低；表面层快速加热，温度由表及里逐渐降低； 表面温度超过相变点形成奥氏体；表面温度超过相变点形成奥氏体； 快冷获得马氏体，即高硬度表面层；快冷获得马氏体，即高硬度表面层； 内部仍保持原组织。内部仍保持原组织。奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程钢在热处理过程中的组织转变钢在热处理过程中的组织转变奥氏体的晶粒大小与冷却方式决定转变产物的组织和性能。奥氏体的晶粒大小与冷却方式决定转变产物

11、的组织和性能。将钢加热至临界温度以上，获得奥氏体组织，然后以适当将钢加热至临界温度以上，获得奥氏体组织，然后以适当方式（或速度）冷却，以获得所需组织和性能。方式（或速度）冷却，以获得所需组织和性能。马氏体晶格结构马氏体晶格结构结构结构：奥氏体在极大过冷度下形成的组织，碳在：奥氏体在极大过冷度下形成的组织，碳在-Fe中的中的过饱和固溶体过饱和固溶体。a=bc。碳的过饱和度。碳的过饱和度 ， c/a ，晶格畸变，晶格畸变 ，硬度，硬度 。马氏体的组织形态马氏体的组织形态板条状马氏体板条状马氏体针片状马氏体针片状马氏体晶格畸变小，残余应力小。晶格畸变小，残余应力小。晶格畸变大，残余应力大。晶格畸变大

12、，残余应力大。表面淬火的改性目的表面淬火的改性目的 提高表面硬度、疲劳强度和耐磨性，心部保持一定强度和提高表面硬度、疲劳强度和耐磨性，心部保持一定强度和足够的塑性和韧性。足够的塑性和韧性。（外硬内韧）（外硬内韧） 应用对象：应用对象：承受交变载荷、冲击载荷，并在摩擦条件下工承受交变载荷、冲击载荷，并在摩擦条件下工作的零件，如齿轮、轴类等。作的零件，如齿轮、轴类等。 淬火加热温度淬火加热温度 超过临界温度超过临界温度3050 。温度太低，强度、硬度不足；温度。温度太低，强度、硬度不足；温度过高，晶粒粗大，易变形开裂。过高，晶粒粗大，易变形开裂。 淬火冷却速度淬火冷却速度 为得到马氏体组织，工件的

13、实际冷却速度必须大于为得到马氏体组织，工件的实际冷却速度必须大于临界淬火临界淬火冷却速度（获得马氏体的最低冷却速度）冷却速度（获得马氏体的最低冷却速度）。 淬冷介质冷却能力淬冷介质冷却能力 盐（碱）水盐（碱）水 水水 油油淬火工艺要求淬火工艺要求钢的淬硬性与淬透性钢的淬硬性与淬透性淬硬性主要取决于马氏体中的含碳量。淬硬性主要取决于马氏体中的含碳量。 淬硬性：淬硬性：钢淬火后得到的马氏体的硬度的高低。钢淬火后得到的马氏体的硬度的高低。 淬透性：淬透性：钢在一定淬火条件下淬火获得马氏体层钢在一定淬火条件下淬火获得马氏体层深度的大小。深度的大小。淬透性主要取决于临界冷却速度淬透性主要取决于临界冷却速

14、度Vk ，Vk ，淬透性，淬透性 。多数合金元素可减小临界淬火冷却速度，提高淬透性。多数合金元素可减小临界淬火冷却速度，提高淬透性。淬硬性与淬透性的关系淬硬性与淬透性的关系钢种钢种淬硬性淬硬性 淬透性淬透性低碳结构钢（低碳结构钢（20）低低小小碳素工具钢（碳素工具钢（T10A）高高小小低碳合金结构钢（低碳合金结构钢（18Cr2Ni4WA）低低大大高碳高合金工具钢（高碳高合金工具钢（Cr12MoV） 高高大大淬火状态三大特征淬火状态三大特征 组织特征：组织特征：马氏体与残余奥氏体处于亚稳态。马氏体与残余奥氏体处于亚稳态。 机械特征：机械特征：硬度、强度高，塑性、韧性低。硬度、强度高，塑性、韧性低

15、。 应力特征：应力特征：存在热应力与相变应力。存在热应力与相变应力。淬火时工件的变形淬火时工件的变形 回火回火 定义定义：淬火零件加热到临界转化温度以下的某一温度，淬火零件加热到临界转化温度以下的某一温度，保温一段时间，再冷却到室温的工艺。保温一段时间，再冷却到室温的工艺。 目的目的降低或消除淬火内应力，抑制工件变形与开裂。降低或消除淬火内应力，抑制工件变形与开裂。提高钢的韧性，使工件满足使用要求。提高钢的韧性，使工件满足使用要求。稳定组织，使工件长期使用不发生组织转变。稳定组织，使工件长期使用不发生组织转变。表面淬火工艺表面淬火工艺 按加热方式按加热方式感应加热表面淬火感应加热表面淬火火焰加

16、热表面淬火火焰加热表面淬火接触电阻加热表面淬火接触电阻加热表面淬火浴炉加热表面淬火浴炉加热表面淬火电解液加热表面淬火电解液加热表面淬火高密度能量表面淬火高密度能量表面淬火表面保护热处理表面保护热处理感应加热表面淬火感应加热表面淬火感应加热的物理过程感应加热的物理过程感应线圈通交流电，形成交流磁场；感应线圈通交流电，形成交流磁场；被加热零件引起感应电动势，产生闭合电流；被加热零件引起感应电动势，产生闭合电流；利用电流热效应将工件加热。利用电流热效应将工件加热。频率类型频率类型高频高频中频中频工频工频频率范围频率范围200300 kHz25008000Hz50Hz淬硬层深度淬硬层深度0.52.5

17、mm210 mm1020 mm用途用途小模数齿轮、轴类小模数齿轮、轴类直径较大的轴类和直径较大的轴类和大、中模数齿轮大、中模数齿轮大型工件大型工件感应淬火的频率与应用感应淬火的频率与应用高频感应加热表面淬火高频感应加热表面淬火感应加热淬火后的组织和性能感应加热淬火后的组织和性能 表面组织：表面组织：细小的细小的隐晶马氏体隐晶马氏体，碳化物弥散分布。，碳化物弥散分布。 性能：性能：硬度比普通淬火高硬度比普通淬火高23 HRC，耐磨性、抗疲劳强度，耐磨性、抗疲劳强度提高，抑制工件表面提高，抑制工件表面氧化氧化、脱碳脱碳，变形小。，变形小。 优点：优点：加热速度快、热效率高、易于机械化和自动化。加热

18、速度快、热效率高、易于机械化和自动化。 其它感应加热淬火方式其它感应加热淬火方式 超高频感应加热淬火超高频感应加热淬火 双频感应加热淬火双频感应加热淬火 超音频感应加热淬火超音频感应加热淬火火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 原理：原理：应用高温火焰或燃烧后的炽热气体对零件表面快速应用高温火焰或燃烧后的炽热气体对零件表面快速加热，再淬火冷却。加热，再淬火冷却。 用途：用途：尺寸和质量大的工件。尺寸和质量大的工件。特点：特点：设备简单、操作灵活、适用钢种广泛，零件表面清洁，无氧化和脱设备简单、操作灵活、适用钢种广泛，零件表面清洁，无氧化和脱碳，畸变小。碳，畸变小。如大型齿轮、轴、轧辊、导轨如大型齿

19、轮、轴、轧辊、导轨缺点：缺点：加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，混和气不安全，不易获得加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，混和气不安全，不易获得薄层。薄层。火焰加热表面淬火的原理示意图火焰加热表面淬火的原理示意图加热火焰特性加热火焰特性 常用混合气常用混合气 煤气煤气+氧气、天然气氧气、天然气+氧气、丙烷氧气、丙烷+氧气、氧气、 乙炔乙炔+氧气氧气 火焰温度：火焰温度：氧炔焰可超过氧炔焰可超过3100 加热区域：加热区域：焰心区、内焰区、外焰区焰心区、内焰区、外焰区火焰加热表面淬火方法及工艺火焰加热表面淬火方法及工艺 平面前进法：平面前进法：工件相对于喷嘴作直线运动，工件相对于喷嘴作直线

20、运动， 火孔附近喷射冷却介质淬火。火孔附近喷射冷却介质淬火。 适用于淬火部位不大的工件适用于淬火部位不大的工件 快速旋转法：快速旋转法：固定喷嘴对旋转工件加热一定固定喷嘴对旋转工件加热一定 时间后冷却。时间后冷却。 适用于直径与宽度不大的齿轮、轴颈适用于直径与宽度不大的齿轮、轴颈火焰淬火的质量检验火焰淬火的质量检验 外观：外观：表面不应有过烧、熔化、裂纹等缺陷。表面不应有过烧、熔化、裂纹等缺陷。 硬度：硬度：HB、HRC、HV的波动范围符合要求。的波动范围符合要求。接触电阻加热表面淬火接触电阻加热表面淬火 原理：原理：利用触头和工件间的接触电阻使工件利用触头和工件间的接触电阻使工件 表面加热，

21、依靠自身热传导实现冷却表面加热，依靠自身热传导实现冷却 淬火。淬火。 用途：用途：汽缸套、曲轴、工模具淬火汽缸套、曲轴、工模具淬火 优点：优点：设备简单，操作灵活，工件变形小。设备简单，操作灵活，工件变形小。 缺点：缺点：淬硬层较薄（淬硬层较薄（0.150.30 mm），金相），金相 组织及硬度均匀性差。组织及硬度均匀性差。表面保护光亮热处理表面保护光亮热处理 保护涂层要求保护涂层要求 耐高温、抗氧化、稳定、不与零件表面反应，防止零耐高温、抗氧化、稳定、不与零件表面反应，防止零件表面加热时烧损、脱碳或氧化，无毒安全，室温具件表面加热时烧损、脱碳或氧化，无毒安全，室温具有一定强度，操作过程不易脱

22、落处理后能自行脱落。有一定强度，操作过程不易脱落处理后能自行脱落。 涂层成分：涂层成分：有机材料与无机材料混合。有机材料与无机材料混合。 有机组分：有机组分：粘结剂，热处理可分解或炭化。粘结剂，热处理可分解或炭化。 无机组分：无机组分：转变为致密无机涂层，隔绝气氛，冷却转变为致密无机涂层，隔绝气氛，冷却后，由于涂层与金属热膨胀系数不同而自行脱落。后，由于涂层与金属热膨胀系数不同而自行脱落。7.3 化学热处理化学热处理 可用低廉的碳钢或合金钢来代替较昂贵的高合金钢。可用低廉的碳钢或合金钢来代替较昂贵的高合金钢。 原理：原理：将工件置于特定介质中加热和保温，使一种或几种将工件置于特定介质中加热和保

23、温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变表层化学成分组织和性能。元素渗入工件表面，以改变表层化学成分组织和性能。与一般热处理的区别：钢表面有化学成分改变。与一般热处理的区别：钢表面有化学成分改变。优点优点化学热处理的目的化学热处理的目的 提高钢件的硬度和耐磨性提高钢件的硬度和耐磨性 提高材料的耐热性和耐蚀性提高材料的耐热性和耐蚀性 提高材料抵抗交变载荷的抗疲性提高材料抵抗交变载荷的抗疲性常用化学热处理工艺及其应用常用化学热处理工艺及其应用化学热处理基本过程化学热处理基本过程 分解：分解：渗剂化学分解反应，生成活性原子。渗剂化学分解反应，生成活性原子。 渗碳渗碳 2CO CO2 + C 渗氮渗氮

24、 2NH3 3H2 + 2N 吸收：吸收：活性原子被钢表面吸附，溶入铁晶格，形成活性原子被钢表面吸附，溶入铁晶格，形成固溶体或金属化合物。固溶体或金属化合物。如：如：C、N可溶于可溶于-Fe形成间隙固溶体形成间隙固溶体；N可溶于可溶于-Fe形成过饱和固溶体，再形成氮化物。形成过饱和固溶体，再形成氮化物。 扩散：扩散：被吸收原子的浓度逐渐升高，在浓度被吸收原子的浓度逐渐升高，在浓度 梯度作用下定向扩散。梯度作用下定向扩散。 温度温度，扩散系数，扩散系数 温度一定，加热时间温度一定，加热时间，扩散层厚度，扩散层厚度K texpQDART化学热处理渗层的基本组织化学热处理渗层的基本组织 单相固溶体，

25、如渗碳层中的单相固溶体，如渗碳层中的-铁素体铁素体 化合物，如渗氮层中的化合物，如渗氮层中的相（相（Fe2-3N），渗硼层中的），渗硼层中的Fe2B 同时存在固溶体、化合物的多相渗层同时存在固溶体、化合物的多相渗层渗剂渗剂 作用：作用：保证在工艺温度范围内能够不断地、充分地、保证在工艺温度范围内能够不断地、充分地、持久地提供渗入金属基体的原子。持久地提供渗入金属基体的原子。 满足条件满足条件 经物理化学反应后具有足够的活性。经物理化学反应后具有足够的活性。 成分具有良好的稳定性。成分具有良好的稳定性。 使用、储存和运输具有可靠的安全性。使用、储存和运输具有可靠的安全性。渗剂的化学反应机制渗剂的

26、化学反应机制 置换反应置换反应 钢铁粉末渗钒钢铁粉末渗钒 VCl2 + Fe = V + FeCl2 还原反应还原反应 钢铁粉末渗铬钢铁粉末渗铬 Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3 氧化反应氧化反应 钢铁固体渗碳钢铁固体渗碳 2C + O2 = 2CO或或C + O2 = CO2 热分解反应热分解反应 钢铁气体渗氮钢铁气体渗氮 2NH3 = 2N + 3H2 钢铁气体渗碳钢铁气体渗碳 CH4 = C + 2H2 影响渗剂活性的首要因素是影响渗剂活性的首要因素是渗剂的固有性质渗剂的固有性质。 渗剂确定渗剂确定后，影响其活性的因素是后，影响其活性的因素是温度温度和分和分 解反应前后

27、参与反应物质的解反应前后参与反应物质的浓度浓度及及分压分压。化学热处理中的催化剂化学热处理中的催化剂 特点：特点：化学热处理过程中，催化剂能化学热处理过程中，催化剂能促进渗剂分促进渗剂分解或产生活性原子解或产生活性原子，本身仅是一种中间介质，本身仅是一种中间介质，本本身并不产生被渗元素身并不产生被渗元素的活性原子。的活性原子。 例如，固体渗碳时加入碳酸盐例如，固体渗碳时加入碳酸盐 作用：作用：受材料耐热能力限制，不能通过提高受材料耐热能力限制，不能通过提高 反应温度来增强渗剂活性时，可采用反应温度来增强渗剂活性时，可采用 催化剂提高反应速度。催化剂提高反应速度。 本质：本质：吸附反应物，降低反

28、应活化能。吸附反应物，降低反应活化能。7.3.1 钢的渗碳钢的渗碳 原理：原理：钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，增加表层的含碳量，并获得一定的碳浓度入表面，增加表层的含碳量，并获得一定的碳浓度梯度。梯度。 目的：目的：提高零件表面硬度、耐磨性、耐蚀性、接触提高零件表面硬度、耐磨性、耐蚀性、接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，心部具有一定强度、塑疲劳强度和弯曲疲劳强度，心部具有一定强度、塑性、韧性。性、韧性。渗碳不是最终目的，零件渗碳后必须经过淬火或渗碳不是最终目的，零件渗碳后必须经过淬火或低温回火处理。低温回火处理。 经过渗碳淬火处理的阀门经过渗碳淬

29、火处理的阀门常用渗碳钢用途常用渗碳钢用途渗碳件技术指标渗碳件技术指标 渗碳层含碳量渗碳层含碳量 高耐磨要求高耐磨要求 0.9 %1.05 % 耐磨、抗疲劳强度要求耐磨、抗疲劳强度要求 0.8 %0.9 % 渗层碳浓度梯度渗层碳浓度梯度 梯度平缓下降，有利于渗层与心部结合。梯度平缓下降，有利于渗层与心部结合。 渗层深度渗层深度 对小零件和薄壁件，渗层深度小于对小零件和薄壁件，渗层深度小于20 %。气体渗碳气体渗碳 原理：原理：将工件放在气体介质中加热并进行渗碳。将工件放在气体介质中加热并进行渗碳。 优点：优点：温度与介质易于控制，易实现直接淬火。温度与介质易于控制，易实现直接淬火。 方法：方法：

30、滴注式、通气式。滴注式、通气式。滴注式气体渗碳滴注式气体渗碳 原理：原理：将苯、将苯、醇、煤油等醇、煤油等液体渗碳剂液体渗碳剂直接滴入炉直接滴入炉内裂解内裂解 。滴注式气体渗碳工艺滴注式气体渗碳工艺有机液体的选用原则有机液体的选用原则 碳氧比大于碳氧比大于1 碳当量（产生碳当量（产生1g原子碳所需有机物质量）小原子碳所需有机物质量）小 具有较大产气量具有较大产气量 形成炭黑形成炭黑倾向小倾向小 来源广、成本低、安全来源广、成本低、安全滴注式气体渗碳工艺流程滴注式气体渗碳工艺流程 过程：过程：排气排气强烈渗碳强烈渗碳扩散扩散降温降温 排气阶段：排气阶段：使炉温迅速恢复到规定的渗碳温度，尽快排除使

31、炉温迅速恢复到规定的渗碳温度，尽快排除进入炉内的气体，防止零件氧化。进入炉内的气体，防止零件氧化。 强烈渗碳阶段：强烈渗碳阶段：渗碳剂滴量多、气氛浓，零件表面碳浓度渗碳剂滴量多、气氛浓，零件表面碳浓度高于最终要求，形成高浓度梯度，提高渗碳速度。高于最终要求，形成高浓度梯度，提高渗碳速度。 渗碳扩散阶段：渗碳扩散阶段：渗剂滴量少、气氛低，工件表面的碳逐渐渗剂滴量少、气氛低，工件表面的碳逐渐向内层扩散，表面碳浓度与渗碳深度逐渐达到要求。向内层扩散，表面碳浓度与渗碳深度逐渐达到要求。零件装炉后，炉温大幅下降，同时带入大量空气。零件装炉后，炉温大幅下降，同时带入大量空气。 降温阶段降温阶段 取样检查渗

32、碳取样检查渗碳可直接淬火，冷却至可直接淬火，冷却至810840 。需重新加热淬火，降温至需重新加热淬火，降温至860 880 ，转入防止氧化脱碳的冷却室。转入防止氧化脱碳的冷却室。气体渗碳工艺参数气体渗碳工艺参数 渗碳温度：渗碳温度：一般在一般在900950 ，浅层渗碳可选，浅层渗碳可选880900 。 渗碳时间：渗碳时间：影响渗碳层深度，定时抽样检测，确定出炉时间。影响渗碳层深度，定时抽样检测，确定出炉时间。 炉气换气速度：炉气换气速度：不断更换渗碳气氛，保持炉气活性。不断更换渗碳气氛，保持炉气活性。 炉气碳势：炉气碳势：影响强渗与扩散的效果。影响强渗与扩散的效果。 预处理：预处理：清洁工件

33、表面，消除表面缺陷与残余应力。清洁工件表面，消除表面缺陷与残余应力。其它渗碳工艺其它渗碳工艺 固体渗碳：固体渗碳：将工件埋放在固体渗碳剂中，然后装箱入炉进行将工件埋放在固体渗碳剂中，然后装箱入炉进行加热渗碳。加热渗碳。 碳源：碳源：木炭、焦炭等木炭、焦炭等 固体渗碳本质上是以固体渗碳本质上是以CO为渗碳气氛的为渗碳气氛的“气体气体”渗碳渗碳 2 C + O2 2 CO 为加速为加速CO形成，形成， 常加入常加入Na2CO3、BaCO3等等催渗剂。催渗剂。 液体渗碳：液体渗碳：把零件浸入盐浴渗剂中加热渗碳。把零件浸入盐浴渗剂中加热渗碳。 方法：方法：将纯碱、尿素和木炭粉等渗碳剂熔融，加入将纯碱、

34、尿素和木炭粉等渗碳剂熔融，加入到含到含NaCl、KCl的熔化盐浴中。的熔化盐浴中。 盐浴渗碳加热速度快，加热均匀，便于直接淬火，盐浴渗碳加热速度快，加热均匀，便于直接淬火，但多数盐浴有毒。但多数盐浴有毒。7.3.2 渗氮（氮化）渗氮（氮化） 定义：定义：将工件放入渗氮介质中，加热到渗氮温度，将工件放入渗氮介质中，加热到渗氮温度，保温一段时间，使渗氮介质中发生分解、吸附和界保温一段时间，使渗氮介质中发生分解、吸附和界面反应等过程，活性氮原子被工件表面吸收，并扩面反应等过程，活性氮原子被工件表面吸收，并扩散渗入工件表层的化学热处理工艺。散渗入工件表层的化学热处理工艺。渗氮处理的优缺点渗氮处理的优缺

35、点 优点：优点： 获得比渗碳层更高的硬度获得比渗碳层更高的硬度； 渗氮后可不进行淬火，零件变形小。渗氮后可不进行淬火，零件变形小。 缺点：缺点： 生产周期长（数十到上百小时）；生产周期长（数十到上百小时）； 渗氮层薄，不能承受太大的接触应力和冲击载荷；渗氮层薄，不能承受太大的接触应力和冲击载荷； 只适用于特殊成分钢种只适用于特殊成分钢种( (如工具钢、高速钢如工具钢、高速钢) )。渗碳与渗氮工艺特点渗碳与渗氮工艺特点工艺工艺处理温度处理温度处理时间处理时间处理后是否需处理后是否需要热处理要热处理渗碳渗碳880950 39 h需要需要渗氮渗氮500600 20100 h不需要不需要Fe-N相图相

36、图 相相氮在氮在-Fe中的固溶体中的固溶体 相相氮在氮在-Fe中的固溶体中的固溶体 相相Fe4N 相相Fe2-3No590 C 590以下以下，wN % ， 纯铁氮化过程组织变化纯铁氮化过程组织变化 500590 氮化氮化 先形成先形成相相； 表面层中氮浓度上升至饱和，形成表面层中氮浓度上升至饱和，形成相相； 相中氮浓度达饱和，形成相中氮浓度达饱和，形成相相。 纯铁在该温度范围氮化，表面层具有纯铁在该温度范围氮化，表面层具有、和和的多相的多相结构结构。离子渗氮离子渗氮原理：原理：抽真空抽真空通通含氮气氛含氮气氛电离气体电离气体N+轰击工件表面轰击工件表面渗氮渗氮显著优点：显著优点：快速快速渗氮渗氮碳氮共渗碳氮共渗 定义：定义：在一定温度下，同时将碳、氮原子渗入工件表在一定温度下，同时将碳、氮原子渗入工件表层奥氏体中，并以渗碳为主的扩散渗入处理工艺。层奥氏体中，并以渗碳为主的扩散渗入处理工艺。 优点优点 降低渗碳温度（降低渗碳温度（780880 ） 提高渗碳层硬度、耐磨性、耐蚀