第六章金属的化学热处理

1、1 金属的加热金属的加热l教学思路教学思路 课程学时数为课程学时数为4学时，以教师讲解为主，结合课堂提问学时，以教师讲解为主，结合课堂提问，课堂讨论等，让学生学习金属加热相关的知识，重点，课堂讨论等，让学生学习金属加热相关的知识，重点讲解金属加热的原则和影响因素，对金属加热过程中氧讲解金属加热的原则和影响因素，对金属加热过程中氧化和脱碳有较为详细的了解，并能初步的了解加热介质化和脱碳有较为详细的了解，并能初步的了解加热介质和设备的选择。和设备的选择。l教学内容教学内容 材料加热的物理过程；材料加热的物理过程； 金属加热的一般原则及影响因素金属加热的一般原则及影响因素 ； 金属及合金在不同介质中

2、加热时常见的物理化学现象。金属及合金在不同介质中加热时常见的物理化学现象。l学生学习情况学生学习情况通过表面淬火的学习，使学生明白表面淬火的定义及通过表面淬火的学习，使学生明白表面淬火的定义及目的，重点使学生学习表面淬火的原理及应用。目的，重点使学生学习表面淬火的原理及应用。l教学目标教学目标 掌握表面淬火的定义、目的及工艺应用，了解表面淬掌握表面淬火的定义、目的及工艺应用，了解表面淬火的原理、分类及设备等相关知识。火的原理、分类及设备等相关知识。l教学重点与难点教学重点与难点 重点：重点： 掌握表面淬火的目的、分类及应用掌握表面淬火的目的、分类及应用。 难点：表面淬火的原理。难点：表面淬火的

3、原理。l教学过程如下：教学过程如下：主要内容主要内容6.3金属的渗氮金属的渗氮6.4钢的碳氮共渗钢的碳氮共渗6.5渗硼渗硼6.6渗金属渗金属6.7辉光放电离子化学热处理辉光放电离子化学热处理6.3金属的渗氮金属的渗氮6.3.1 钢的渗氮原理钢的渗氮原理定义：定义：向金属表面渗入氮元素的工艺称为渗氮，也称为氮化。向金属表面渗入氮元素的工艺称为渗氮，也称为氮化。 分类：分类：液体氮化、气体氮化及离子氮化液体氮化、气体氮化及离子氮化目的：目的：提高工件的表面硬度、疲劳强度、耐磨性、耐蚀性及抗咬合性。提高工件的表面硬度、疲劳强度、耐磨性、耐蚀性及抗咬合性。渗氮的特点：渗氮的特点：1）能达到很有高的表面

4、硬度和耐磨性，可在较高温度范围内使用（）能达到很有高的表面硬度和耐磨性，可在较高温度范围内使用（550650 ）；）；2）形成很大的表面压应力，致密稳定的氮化物，具有很高的疲劳强度和抗）形成很大的表面压应力，致密稳定的氮化物，具有很高的疲劳强度和抗腐蚀性。腐蚀性。3）渗氮温度较低）渗氮温度较低(500-570之间之间)，工件变形小，不用淬火。，工件变形小，不用淬火。缺点：缺点：工艺过程较长，成本高，渗层较薄，脆性大。故不能承受太大的接工艺过程较长，成本高，渗层较薄，脆性大。故不能承受太大的接触应力。触应力。6.3.1 钢的渗氮原理钢的渗氮原理1、铁、铁-氮状态图氮状态图相相氮溶于氮溶于-Fe中

5、的固溶体（含氮中的固溶体（含氮铁素体），体心立方结构，铁素体），体心立方结构，N含量含量0.11%。相相以以Fe4N为基的固溶体，面心为基的固溶体，面心立方结构，立方结构，N含量含量5.7-6.1%。相相以以Fe3N为基的固溶体，密排为基的固溶体，密排六方结构，六方结构，N含量含量8.25-11%。相相存在于共析温度存在于共析温度(590)之上之上，含氮奥氏体，面心立方结构。，含氮奥氏体，面心立方结构。(高高温相，室温不存在温相，室温不存在)相相以以Fe2N为基的固溶体，正交为基的固溶体，正交结构，结构，N含量含量11-11.35%。极脆，容。极脆，容易脆裂和剥落，渗氮时应避免此相易脆裂和剥落

6、，渗氮时应避免此相出现。出现。两个共析反应：两个共析反应：590： 650： 相本质及化学式晶体结构氮含量主要性能含氮铁素体体心立方590时达到最大值0.11，室温下降至0.004具有铁磁性含氮奥氏体面心立方2.8仅存在于共析温度之上，硬度约为160HV?以Fe4N为基的固溶体面心立方5.7-6.1具有铁磁性，脆性小，硬度约为550HV以Fe2-3N为基的固溶体密排六方4.55-11.0脆性稍大，耐蚀性较好，硬度约为265HV以Fe2N为基的固溶体斜方11.1-11.35脆性大，硬度约为260HV渗氮过程实质是反应扩散的过程渗氮过程实质是反应扩散的过程6.3.1 钢的渗氮原理钢的渗氮原理钢铁的

7、渗氮过程和其它化学热处理过程一样，由分解、吸收、扩散三钢铁的渗氮过程和其它化学热处理过程一样，由分解、吸收、扩散三个基本过程组成。个基本过程组成。渗剂的分解：指渗剂中分解出含有活性氮原子的物质。使用最多的渗渗剂的分解：指渗剂中分解出含有活性氮原子的物质。使用最多的渗氮介质是氨气。氮介质是氨气。 2NH33H2+2N2、钢的渗氮过程、钢的渗氮过程6.3.2 渗氮层的组织与性能渗氮层的组织与性能1、纯铁渗氮层的组织与性能 Fe-N相图可知，在低于共析温度相图可知，在低于共析温度590C以下进行氮化时，首以下进行氮化时，首先在表面形成先在表面形成-相，当相，当-相氮浓度达到饱和时，形出相氮浓度达到饱

8、和时，形出 相，当相，当 相的氮浓度达到饱和时，又形成相的氮浓度达到饱和时，又形成相。相。6.3.2 渗氮层的组织与性能渗氮层的组织与性能2、合金元素对渗氮层组织和性能的影响、合金元素对渗氮层组织和性能的影响溶于铁素体并改变氮在溶于铁素体并改变氮在相中溶解度：相中溶解度： 如过渡族元素如过渡族元素W W、MoMo、CrCr等提高氮在等提高氮在相中溶解度相中溶解度与基体铁构成铁和合金元素的氮化物：与基体铁构成铁和合金元素的氮化物： 如如（FeFe，M M）3 3N N、 （FeFe，M M）4 4N N；形成合金元素的氮化物：形成合金元素的氮化物： 钢中能形成合金氮化物的合金元素仅为过渡族金属中

9、次外层钢中能形成合金氮化物的合金元素仅为过渡族金属中次外层d亚层填得不亚层填得不满的元素。满的元素。d亚层填的愈不满，形成氮化物的氮化物稳定性愈高。亚层填的愈不满，形成氮化物的氮化物稳定性愈高。 氮化物的稳定性按照以下顺序增加：氮化物的稳定性按照以下顺序增加：NiCoFeMnMoWNbVTiZr 因此合金元素的加入，一方面，可提高氮在因此合金元素的加入，一方面，可提高氮在相中溶解度，一方面可形相中溶解度，一方面可形成稳定性高合金氮化为，可极大提高钢渗氮后的硬度与耐磨性。成稳定性高合金氮化为，可极大提高钢渗氮后的硬度与耐磨性。但一方面，合金元素的加入，但一方面，合金元素的加入，与氮亲和力较强，渗

10、氮层会变浅与氮亲和力较强，渗氮层会变浅P143图图6.3.2 渗氮层的组织与性能渗氮层的组织与性能3、温度和时间对氮化物形成的影响、温度和时间对氮化物形成的影响P142图图一般来说，温度越低，氮化物越难形成，即形成氮化物的时间越长，弥散度越高一般来说，温度越低，氮化物越难形成，即形成氮化物的时间越长，弥散度越高，形成氮化物后，不易聚集长大，硬度稳定，形成氮化物后，不易聚集长大，硬度稳定温度越高，氮化物越易形成，即形成的速度越快，氮弥散度较差，容易随时间的温度越高，氮化物越易形成，即形成的速度越快，氮弥散度较差，容易随时间的延长而聚集长大。延长而聚集长大。合适的渗氮温度很关键。合适的渗氮温度很关

11、键。4、氮化处理提高零件疲劳强度和耐磨性的原因、氮化处理提高零件疲劳强度和耐磨性的原因（1）在表面形成高硬度的）在表面形成高硬度的-（Fe4N）和）和-（Fe3-2N）层；）层；（2）渗入的氮原子与氮化物形成元素形成弥散的合金氮化物，提高表面氮化层的强）渗入的氮原子与氮化物形成元素形成弥散的合金氮化物，提高表面氮化层的强度和硬度。度和硬度。（3）表面渗入氮原子后体积膨胀，因而在表面产生了残留压应力，能抵消外力作用）表面渗入氮原子后体积膨胀，因而在表面产生了残留压应力，能抵消外力作用产生的张应力，减少表面疲劳裂纹的产生。产生的张应力，减少表面疲劳裂纹的产生。6.3.3 渗氮钢及其发展渗氮钢及其发

12、展1、国际上普遍采用的渗氮钢、国际上普遍采用的渗氮钢38CrMoAlA。特点：特点： a、渗氮后可得到最高硬度（、渗氮后可得到最高硬度（1100HV） b、具有良好的淬透性、具有良好的淬透性 c、由于、由于Mo的加入，抑制了第二类回火脆性。因此常用的加入，抑制了第二类回火脆性。因此常用于制造要求表面硬度高，耐磨性好，心部强度高的渗于制造要求表面硬度高，耐磨性好，心部强度高的渗氮零件。氮零件。 缺点：在冶金上易出现偏析、岩石状断口及层状组织缺缺点：在冶金上易出现偏析、岩石状断口及层状组织缺陷，含陷，含Al量太高该层表面易出现脆性。量太高该层表面易出现脆性。2、为了改善上述缺点，发展了无铝渗氮钢、

13、为了改善上述缺点，发展了无铝渗氮钢3、为了缩短渗氮时间，发展了含钛、钒的钢，也称快速、为了缩短渗氮时间，发展了含钛、钒的钢，也称快速渗氮钢渗氮钢，氮化物温度，不易长大，可升高渗氮温度，氮化物温度，不易长大，可升高渗氮温度，缩短渗氮时间缩短渗氮时间6.3.4 渗氮工艺控制渗氮工艺控制1、渗氮工艺过程、渗氮工艺过程a、氨气由液氨罐、氨气由液氨罐1流量计流量计4干干燥箱燥箱5进气管进气管7进入渗氮罐。进入渗氮罐。b、U型压力计型压力计10测炉内压力，测炉内压力，c、分解率测定有水溶法测定，图、分解率测定有水溶法测定，图中分解测定仪。中分解测定仪。 分解率分解率x=（N2%+H2%）/（NH3%+N2

14、%+H2%）*100% 分解率分解率x的高低直接影响工件表的高低直接影响工件表面析面析N的速度，的速度， x过高，会有大过高，会有大量的量的H2吸附在钢表面，妨碍对吸附在钢表面，妨碍对N的吸收；如果过低，不能提供的吸收；如果过低，不能提供足够多的活性足够多的活性N原子。一般为原子。一般为1540%。6.3.4 渗氮工艺控制渗氮工艺控制2、渗氮工艺方法、渗氮工艺方法渗前处理：渗前处理： 渗氮后不再淬、回火，因此预先热处理很重要。为保证心渗氮后不再淬、回火，因此预先热处理很重要。为保证心部有要求的机械性能，消除加工应力，为氮化作组织准备，工件在渗氮部有要求的机械性能，消除加工应力，为氮化作组织准备

15、，工件在渗氮前应进行调质处理，以获得回火索氏体组织，调质处理回火温度一般高前应进行调质处理，以获得回火索氏体组织，调质处理回火温度一般高于渗氮温度。于渗氮温度。渗氮前为回火索氏体组织。渗氮前为回火索氏体组织。一般零件氮化工艺路线如下一般零件氮化工艺路线如下：锻造：锻造 退火退火 粗加工粗加工 调质处理调质处理 精加精加工工氮化氮化 精磨或研磨。精磨或研磨。氮化温度：氮化温度：一般在一般在480570 若若T升高，则扩散速度加快，氮化层深增加，但氮化物聚集长大的倾向升高，则扩散速度加快，氮化层深增加，但氮化物聚集长大的倾向性大，其表面硬度和耐磨性会下降，故比调质温度低性大，其表面硬度和耐磨性会下

16、降，故比调质温度低4070 。渗氮。渗氮温度过低，氮化物难于形成，渗氮时间较长。温度过低，氮化物难于形成，渗氮时间较长。 氮化时间：氮化时间：依据层深来定依据层深来定平方根关系，一般大于平方根关系，一般大于30h 6.3.4 渗氮工艺控制渗氮工艺控制工艺过程：工艺过程：在在20h内采用较低的氨分解率，使工件表内采用较低的氨分解率，使工件表面迅速吸收大量氮原子，形成弥散分布氮面迅速吸收大量氮原子，形成弥散分布氮化物，提高工件表面硬度；化物，提高工件表面硬度；在中间阶段，氨分解率提高到在中间阶段，氨分解率提高到30-40%，使表层氮原子向内扩散，增加渗层深度；使表层氮原子向内扩散，增加渗层深度；保

17、温结束前保温结束前2-4h，氨分解率高于，氨分解率高于80%以以上，进行退氮处理，减薄或清除脆性白亮上，进行退氮处理，减薄或清除脆性白亮层。层。特点：特点：温度较低，工件变形小；但渗氮周期温度较低，工件变形小；但渗氮周期长，为得到长，为得到0.6-1mm的渗层，需要保的渗层，需要保温温50-120h。T Tt t5 51 10 05 52 20 0y y= =2 20 0% %y y= =3 30 04 40 0% %1 18 80 02 20 00 0出出炉炉炉炉冷冷2 20 0h h5 50 0h h2 2h h（1）等温渗氮）等温渗氮6.3.4 渗氮工艺控制渗氮工艺控制（2）两段渗氮）两

18、段渗氮T Tt t5 5 1 1 0 0 5 5 2 2 0 0 y y= =1 18 8 2 25 5% %y y= =4 40 06 60 0% %1 18 80 02 20 00 0出出炉炉炉炉冷冷2 20 0h h3 30 0h h2 2h h5 55 50 0 5 56 60 0工艺过程：工艺过程： 第一阶段采用第一阶段采用510一一520低温，较低的低温，较低的氨分解率，使工件表面迅速吸收大量氮原氨分解率，使工件表面迅速吸收大量氮原子，形成弥散分布稳定的氮化物。子，形成弥散分布稳定的氮化物。 第二阶段把温度提高到第二阶段把温度提高到550一一560，氨，氨分解率控制在分解率控制在4

19、0一一60之间，目的是加速之间，目的是加速氮在钢中的扩散，以增加氮化层深度。氮在钢中的扩散，以增加氮化层深度。 由于第一阶段形成的氯化物稳定性高，在由于第一阶段形成的氯化物稳定性高，在第二阶段稍提高温度时，氮化物不会显著第二阶段稍提高温度时，氮化物不会显著聚集长大，因此硬度下降不多，面且可使聚集长大，因此硬度下降不多，面且可使氮化层的硬度分布趋于平缓。氮化层的硬度分布趋于平缓。特点：特点：与等温氮化相比，二段氮化硬度稍低、变与等温氮化相比，二段氮化硬度稍低、变形略大，但渗速快、渗层深。形略大，但渗速快、渗层深。6.3.4 渗氮工艺控制渗氮工艺控制（3）三段渗氮）三段渗氮T Tt t510510

20、y=18y=1825%25%y=40y=4060%60%180180200200出炉出炉炉冷炉冷12h12h12h12h12h12h560560520520y=25y=2540%40%工艺过程：工艺过程： 三段氮化法是在二段氮化的基础上发三段氮化法是在二段氮化的基础上发展起来的。它的特点是第二阶段的温展起来的。它的特点是第二阶段的温度比二段氮化的更高一些，一般为度比二段氮化的更高一些，一般为560580，以进一步提高氮化速度，以进一步提高氮化速度，达到一定氮化深度后，再将温度降至达到一定氮化深度后，再将温度降至相当于第一段的温度或稍高的温度下相当于第一段的温度或稍高的温度下继续氯化，使表层氮浓

21、度达到最佳浓继续氯化，使表层氮浓度达到最佳浓度，而不致使表面硬度过低。度，而不致使表面硬度过低。特点：特点： 时间最短，但工艺较复杂时间最短，但工艺较复杂。6.3.4 渗氮工艺控制渗氮工艺控制（4）抗腐蚀渗氮）抗腐蚀渗氮 抗腐蚀渗氮：使工件表面获得抗腐蚀渗氮：使工件表面获得0.0150.06mm厚的厚的致密的化学稳定性高的致密的化学稳定性高的相层，以提高工件的抗腐蚀性相层，以提高工件的抗腐蚀性为目的的渗氮。为目的的渗氮。抗腐蚀渗氮过程，与强化渗氮过程基本相同。抗腐蚀渗氮过程，与强化渗氮过程基本相同。渗氮温度较高，有利于致密的渗氮温度较高，有利于致密的相的形成，也有利于缩相的形成，也有利于缩短渗

22、氮时间。但温度过高，表面含氮量降低，孔隙度短渗氮时间。但温度过高，表面含氮量降低，孔隙度增大，使抗蚀性降低。增大，使抗蚀性降低。渗氮后应尽量采用快冷。渗氮后应尽量采用快冷。6.3.4 渗氮工艺控制渗氮工艺控制a、外观：、外观：正常氮化表面应为银灰色，无光泽，不应正常氮化表面应为银灰色，无光泽，不应有局部亮点存在。若氧化后则是咖啡色，氧化对有局部亮点存在。若氧化后则是咖啡色，氧化对性能影响不大；性能影响不大；b、渗层硬度测定：、渗层硬度测定：由于氮化层浅薄，通常用维氏，由于氮化层浅薄，通常用维氏，维氏硬度计用小于维氏硬度计用小于9.8N载荷。载荷。c、渗氮层深度测定：、渗氮层深度测定：断口法（用

23、断口法（用25倍带刻度的放大倍带刻度的放大镜测量，氮化层组织较细呈瓷状，中心组织较粗镜测量，氮化层组织较细呈瓷状，中心组织较粗，很易区分）、金相法（将氮化试棒制成金相试，很易区分）、金相法（将氮化试棒制成金相试样，腐蚀后在显微镜下测量）和硬度法（样，腐蚀后在显微镜下测量）和硬度法（从表面从表面HV550称为有效硬化层）称为有效硬化层）d、氮化层脆性检验：、氮化层脆性检验：一般用维氏硬度压痕形状来评一般用维氏硬度压痕形状来评定；定； 1、2级为合格，级为合格， 3、4级为不合格级为不合格f、 金相组织检验金相组织检验：渗层中白亮层厚度尽量小，允许：渗层中白亮层厚度尽量小，允许有不大于磨削余量的有

24、亮层；心部组织为回火索有不大于磨削余量的有亮层；心部组织为回火索氏体，不允许有大块游离氏体，不允许有大块游离F存在。存在。3、渗氮件质量检查及渗氮层缺陷、渗氮件质量检查及渗氮层缺陷（1）渗氮层质量检验）渗氮层质量检验6.3.4 渗氮工艺控制渗氮工艺控制（2）渗氮缺陷）渗氮缺陷变形变形 ：挠曲变形和尺寸增大。挠曲变形和尺寸增大。原因：原因：渗氮前工件内残存着内应力，在渗氮时应力松弛，重新应力平衡而造渗氮前工件内残存着内应力，在渗氮时应力松弛，重新应力平衡而造成变形；装炉不当，工件表面渗氮不均匀等。成变形；装炉不当，工件表面渗氮不均匀等。解决：解决：渗氮前进行消除应力处理，渗氮装炉应正确。渗氮前进

25、行消除应力处理，渗氮装炉应正确。(b) 脆性和渗氮层剥落脆性和渗氮层剥落原因：原因：表层氮的浓度过大，冶金质量低劣，预先热处理工艺，渗氮及磨削工表层氮的浓度过大，冶金质量低劣，预先热处理工艺，渗氮及磨削工艺不当，退氮不当，脱碳等。艺不当，退氮不当，脱碳等。解决：解决：正确控制碳势，进行恰当的退氮处理。正确控制碳势，进行恰当的退氮处理。(c) 渗氮层硬度不足及软点渗氮层硬度不足及软点 硬度不足的原因：硬度不足的原因：、预备热处理脱碳及晶粒粗大、预备热处理脱碳及晶粒粗大 、渗氮工、渗氮工艺不当。如氨分解率过高，渗氮层表面氮浓度过低；渗氮温度过高，艺不当。如氨分解率过高，渗氮层表面氮浓度过低；渗氮温

26、度过高，合金氮化物粗大；渗氮温度过低，时间不足层深浅，等均导致渗氮层合金氮化物粗大；渗氮温度过低，时间不足层深浅，等均导致渗氮层硬度低。硬度低。 渗氮层出现软点原因：渗氮层出现软点原因：由于渗氮表面出现异物，妨碍工件表面氮由于渗氮表面出现异物，妨碍工件表面氮的吸收。如：渗氮前工件表面清理不够干净，表面沽污油污等脏物所的吸收。如：渗氮前工件表面清理不够干净，表面沽污油污等脏物所致。致。6. 4 钢的碳氮共渗钢的碳氮共渗定义：定义：在钢的表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺称为在钢的表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺称为碳氮共渗。碳氮共渗。目的：目的：对低碳结构钢、中碳结构钢以及不锈钢等，为了提高其

27、对低碳结构钢、中碳结构钢以及不锈钢等，为了提高其表面硬度、耐磨性及疲劳强度，进行表面硬度、耐磨性及疲劳强度，进行820850碳氮共碳氮共渗。渗。中碳调质钢在中碳调质钢在570600温度进行碳渗共渗，可提高其温度进行碳渗共渗，可提高其耐磨性及疲劳强度，耐磨性及疲劳强度，高速钢在高速钢在550560碳氮共渗的目的是进一步提高其表碳氮共渗的目的是进一步提高其表面硬度、耐磨性及热稳定性面硬度、耐磨性及热稳定性分类：分类： 按温度分：高温（按温度分：高温（900950 ）、中温（）、中温（700880 ） 、低温三种。低温三种。6. 4 .1碳和氮同时在钢中扩散的特点碳和氮同时在钢中扩散的特点1 共渗温

28、度不同，共渗层中碳氮含量不同。共渗温度不同，共渗层中碳氮含量不同。 氮含量随着共渗温度的提高而降低，而碳含量则起先增加，至一定温氮含量随着共渗温度的提高而降低，而碳含量则起先增加，至一定温度后反而降低。渗剂增碳能力不同，达到最大碳含量的温度也不同。度后反而降低。渗剂增碳能力不同，达到最大碳含量的温度也不同。2 碳、氮共渗时碳氮元素相互对钢中溶解度及扩散深度有影响。碳、氮共渗时碳氮元素相互对钢中溶解度及扩散深度有影响。 由于由于N使使g g相区扩大，且相区扩大，且Ac3点下降，因而能使钢在更低的温度增碳。点下降，因而能使钢在更低的温度增碳。氮渗入浓度过高，在表面形成碳氮化合物相，因而氮又障碍着碳

29、的扩氮渗入浓度过高，在表面形成碳氮化合物相，因而氮又障碍着碳的扩散。碳降低氮在、相中的扩散系数，所以碳减缓氮的扩散。散。碳降低氮在、相中的扩散系数，所以碳减缓氮的扩散。3 碳氮共渗过程中碳对氮的吸附有影响碳氮共渗过程中碳对氮的吸附有影响碳氮共渗过程可分成两个阶段：碳氮共渗过程可分成两个阶段：第一阶段共渗时间较短第一阶段共渗时间较短(13小时小时)，碳和氮在钢中的渗入情况相同；，碳和氮在钢中的渗入情况相同；若延长共渗时间，出现第二阶段，此时碳继续渗入而氮不仅不从介质中若延长共渗时间，出现第二阶段，此时碳继续渗入而氮不仅不从介质中吸收，反而使渗层表面部分氮原子进入到气体介质中去吸收，反而使渗层表面

30、部分氮原子进入到气体介质中去 6. 4 . 2 中温气体碳氮共渗中温气体碳氮共渗1 中温气体碳氮共渗的优点（与渗碳相比）中温气体碳氮共渗的优点（与渗碳相比）(1) 可以在较低温度下及在同样时间内获得同样渗层深度，或在处理温度相同悄可以在较低温度下及在同样时间内获得同样渗层深度，或在处理温度相同悄况下，共渗速度较快。况下，共渗速度较快。(2) 碳氮共渗在工件表面、炉壁和发热体上不析出碳黑；碳氮共渗在工件表面、炉壁和发热体上不析出碳黑；(3) 处理后零件的耐磨性比渗碳的高；处理后零件的耐磨性比渗碳的高；(4) 工件扭曲变形小。工件扭曲变形小。2 共渗介质共渗介质 (1） 含含210氨气的渗碳气体氨

31、气的渗碳气体(其余其余)(体积体积)；（2) 含碳氮的有机液体。含碳氮的有机液体。3共渗温度及时间共渗温度及时间共渗温度：共渗温度：氮的渗入能降低临界点，但考虑心部强度，一般共渗温度仍选在该种氮的渗入能降低临界点，但考虑心部强度，一般共渗温度仍选在该种钢的钢的Ac3点以上。但温度过高，渗层中氮含量急剧降低，其渗层与渗碳相近点以上。但温度过高，渗层中氮含量急剧降低，其渗层与渗碳相近，且温度提高，工件变形增大。一般碳氮共渗温度选在，且温度提高，工件变形增大。一般碳氮共渗温度选在820-880之间。之间。共渗时间：共渗时间：渗氮深度与时间符合抛物线关系，符合扩散的基本定律。渗氮深度与时间符合抛物线关

32、系，符合扩散的基本定律。6. 4 . 2 中温气体碳氮共渗中温气体碳氮共渗4共渗温度及时间共渗温度及时间 碳氮共碳氮共渗比渗碳温度低，一般共渗后都采用直接淬碳氮共碳氮共渗比渗碳温度低，一般共渗后都采用直接淬火因为氮的渗入，使过冷奥氏体稳定性提高，故可采用火因为氮的渗入，使过冷奥氏体稳定性提高，故可采用冷却能力较弱的淬火介质，但应考虑心部材料的淬透性。冷却能力较弱的淬火介质，但应考虑心部材料的淬透性。碳氮共渗后采用低温回火碳氮共渗后采用低温回火5碳氮共渗层的组织与性能碳氮共渗层的组织与性能 表面表面为马氏体基底上弥散分布的碳氮化合物，为马氏体基底上弥散分布的碳氮化合物，向里向里为为马氏马氏体加残

33、余奥氏体体加残余奥氏体，残余奥氏体量较多，马氏体为高碳马氏，残余奥氏体量较多，马氏体为高碳马氏体；体；再往里再往里残续奥氏体量减少，马氏体也逐渐由高碳马氏残续奥氏体量减少，马氏体也逐渐由高碳马氏体体过渡到低碳马氏体。过渡到低碳马氏体。 次表面过多的残余奥氏体，使得该处硬度较低次表面过多的残余奥氏体，使得该处硬度较低p158碳氮共渗碳氮共渗特点：特点：1.兼有渗碳层和氮化层的优点兼有渗碳层和氮化层的优点和渗碳相比：比渗碳处理具有更高的耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳强度，和渗碳相比：比渗碳处理具有更高的耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳强度，但渗氮深度较渗碳浅。但渗氮深度较渗碳浅。和氮化相比：共渗层的深度要比氮化

34、层深，表面脆性小，抗压强度较好和氮化相比：共渗层的深度要比氮化层深，表面脆性小，抗压强度较好，但表面硬度和耐磨性不如渗氮的好。，但表面硬度和耐磨性不如渗氮的好。2.奥氏体相变温度降低奥氏体相变温度降低 碳、氮都是扩大奥氏体区的元素，碳、氮的渗入都能降低钢碳、氮都是扩大奥氏体区的元素，碳、氮的渗入都能降低钢A1点和点和A3点，故共渗温度要比单独渗碳时低，使奥氏体晶粒不明显长大，保证了点，故共渗温度要比单独渗碳时低，使奥氏体晶粒不明显长大，保证了零件的心部强度，减少了零件的淬火变形。零件的心部强度，减少了零件的淬火变形。3.奥氏体的稳定性提高，奥氏体的稳定性提高，C曲线右移。曲线右移。 氮的渗入使

35、渗层的淬透性提高。氮的渗入使渗层的淬透性提高。4. 碳氮共渗的速度显著大于单独渗碳或氮化的速度，因而可缩短生产周期碳氮共渗的速度显著大于单独渗碳或氮化的速度，因而可缩短生产周期6. 4 . 2 氮碳共渗（软氮化）氮碳共渗（软氮化）定义：定义：氮碳共渗是指使工件表面同时渗入氮、碳原子，并以渗氮为主的氮碳共渗是指使工件表面同时渗入氮、碳原子，并以渗氮为主的表面化学热处理工艺，亦称软氮化。表面化学热处理工艺，亦称软氮化。特点：特点：低温度的氮碳共渗，表面先被碳饱和，形成细小的渗碳体质点，以此低温度的氮碳共渗，表面先被碳饱和，形成细小的渗碳体质点，以此为媒介，促进渗为媒介，促进渗N。温度低，时间短；变

36、形小；形成以温度低，时间短；变形小；形成以Fe3N为主的化合物层，因此硬度为主的化合物层，因此硬度高，耐磨性好，抗蚀，耐疲劳，渗层薄，不宜于重载下工作。高，耐磨性好，抗蚀，耐疲劳，渗层薄，不宜于重载下工作。方法：方法：6. 4 . 2 氮碳共渗（软氮化）氮碳共渗（软氮化）1、组织与性能、组织与性能 氮碳共渗处理后的组织与渗氮层组织大致相同。由表氮碳共渗处理后的组织与渗氮层组织大致相同。由表及里为：由及里为：由Fe2 3(C，N)为主、含有为主、含有Fe4N的化合物的化合物层，由层，由相组成的扩散层和以含氮铁素体相组成的扩散层和以含氮铁素体(N)为主的为主的过渡层。过渡层。 碳在碳在相中具有较大

37、的溶解度，可达相中具有较大的溶解度，可达3.8%，含碳的，含碳的相相韧性好，而且硬度和耐磨性较高，这是软氮化的主要韧性好，而且硬度和耐磨性较高，这是软氮化的主要特点特点 软氮化表层一般为白亮层，单一的含氮软氮化表层一般为白亮层，单一的含氮相具有很好的相具有很好的韧性，合金钢软氮化可达很高硬度。韧性，合金钢软氮化可达很高硬度。合理控制氮碳含量，碳含量较高，可达很高硬度，但合理控制氮碳含量，碳含量较高，可达很高硬度，但脆性较大，氮含量过高，接近纯渗氮性能，脆性也将脆性较大，氮含量过高，接近纯渗氮性能，脆性也将增加增加6. 4 . 2 氮碳共渗（软氮化）氮碳共渗（软氮化）2、工艺参数、工艺参数1）渗

38、剂：渗）渗剂：渗C+NH3，有机介质，尿素。，有机介质，尿素。2）温度：）温度： 低于低于570；3）时间：根据层深要求而定，一般为）时间：根据层深要求而定，一般为l-6h6.5 渗硼定义：定义：在钢的表面渗入在钢的表面渗入B B元素以获得铁的硼化物的工艺称渗硼。元素以获得铁的硼化物的工艺称渗硼。特点：特点：提高钢件表面硬度和耐磨性，渗层具有良好的红硬性及耐提高钢件表面硬度和耐磨性，渗层具有良好的红硬性及耐蚀性。蚀性。一、渗硼层的组织和性能一、渗硼层的组织和性能组织：组织：根据铁硼相图可知根据铁硼相图可知 B B与与FeFe形成两个相：形成两个相：Fe2BFe2B、 FeB FeB 。 Fe2

39、BFe2B硬度：硬度：129012901680HV1680HV FeB FeB 硬度：硬度：189018902340HV2340HV钢的成分对渗硼层组织及渗层深度有影响钢的成分对渗硼层组织及渗层深度有影响：（1 1）随着钢中含碳量增加，渗硼层深度减小。在渗硼过程中，碳）随着钢中含碳量增加，渗硼层深度减小。在渗硼过程中，碳从渗硼层中挤出，在渗硼层内侧有一高碳区，称为扩散层。从渗硼层中挤出，在渗硼层内侧有一高碳区，称为扩散层。（2 2）渗硼层中硼化物呈楔形伸向基体，增加与基体接触面积，因）渗硼层中硼化物呈楔形伸向基体，增加与基体接触面积，因此渗硼层不易剥落。此渗硼层不易剥落。性能性能：渗硼具有比渗

40、碳，碳氮共渗更高的耐磨性能，同时又具有：渗硼具有比渗碳，碳氮共渗更高的耐磨性能，同时又具有较高的耐浓硫酸、盐酸腐蚀性及较高的抗氧化及热稳定性。较高的耐浓硫酸、盐酸腐蚀性及较高的抗氧化及热稳定性。6.5 渗硼二、渗硼方法二、渗硼方法主要有固体渗硼、液体渗硼和气体渗硼主要有固体渗硼、液体渗硼和气体渗硼1 1、固体渗硼：、固体渗硼：特点：无需特殊设备，操作简单，工件表面清洁。特点：无需特殊设备，操作简单，工件表面清洁。渗剂：供硼剂渗剂：供硼剂 B-FeB-Fe、B4CB4C、硼酸等、硼酸等；活化剂活化剂 KBF4KBF4、NaFNaF、硫尿等、硫尿等 填充剂填充剂 SiCSiC、Al2O3Al2O3

41、等等工艺：工艺：750750950 950 3 3 8h8h2 2、盐浴渗硼：、盐浴渗硼：特点：设备简单，渗层结构易于控制；但盐浴流动性差，工件粘盐难以清理。特点：设备简单，渗层结构易于控制；但盐浴流动性差，工件粘盐难以清理。盐浴组成：以硼砂为供硼剂和加热剂；用碳化硅作还原剂；加入中性盐如氯化盐浴组成：以硼砂为供硼剂和加热剂；用碳化硅作还原剂；加入中性盐如氯化钠、氯化钡等调节盐浴流动性。钠、氯化钡等调节盐浴流动性。工艺：工艺： T T：950 950 1000 1000 ：6h6h三、渗硼后的热处理三、渗硼后的热处理 对心部要求较高的零件，渗硼后需要进行热处理即淬火、回火。因对心部要求较高的零

42、件，渗硼后需要进行热处理即淬火、回火。因FeB 、Fe2B相与基体的膨胀系数差别较大，加热时基体发生相变，而渗硼层不发生相相与基体的膨胀系数差别较大，加热时基体发生相变，而渗硼层不发生相变，容易出现裂纹和崩落，因此尽可能采用缓和的冷却方法，淬火后应及时进变，容易出现裂纹和崩落，因此尽可能采用缓和的冷却方法，淬火后应及时进行回火。行回火。6.6 渗金属渗金属1、定义、定义：将金属元素（：将金属元素（Al、Cr、Zn、Ti等）扩散渗入工件表层的化学热处理工艺等）扩散渗入工件表层的化学热处理工艺2、方法：、方法：（1）覆层扩散法：即将欲渗金属利用电镀、喷镀或喷涂、热浸、化学镀等方法覆盖）覆层扩散法：

43、即将欲渗金属利用电镀、喷镀或喷涂、热浸、化学镀等方法覆盖在工件表面后，再于有保护气氛的炉内加热扩散形成渗层。在工件表面后，再于有保护气氛的炉内加热扩散形成渗层。（2）热扩散法：即将工件直接放在固态、液态或气态的渗金属剂中进行加热扩散。）热扩散法：即将工件直接放在固态、液态或气态的渗金属剂中进行加热扩散。3、渗金属的一般原理、渗金属的一般原理（1）固体法渗金属：渗剂有三部分组成：）固体法渗金属：渗剂有三部分组成：含欲渗金属的物质：提供渗入原子；含欲渗金属的物质：提供渗入原子； 催渗剂：活化渗剂；催渗剂：活化渗剂； 填充剂：一般由氧化铝、高岭土组成。填充剂：一般由氧化铝、高岭土组成。（2）液体法渗

44、金属）液体法渗金属: 渗入低熔点金属；如渗入低熔点金属；如Al、Zn 渗入高熔点金属。如渗入高熔点金属。如V、Cr、W采用采用TD法法（3）渗金属时渗层组织形成规律：）渗金属时渗层组织形成规律： 渗入金属为强碳化物形成元素；渗入金属为强碳化物形成元素； 渗入元素不与钢中形成碳化物而形成一定富碳区。渗入元素不与钢中形成碳化物而形成一定富碳区。（4 4）渗铬）渗铬目的：目的：渗铬后具有高的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性及较高的抗疲劳性能。渗铬后具有高的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性及较高的抗疲劳性能。渗铬与镀铬相比：渗层更加致密、均匀、与基体结合更加牢固、抗氧化性及抗渗铬与镀铬相比：渗层更加致密、均匀、与基体

45、结合更加牢固、抗氧化性及抗高温氧化性均优于镀铬。高温氧化性均优于镀铬。方法：方法：固体渗铬、液体渗铬和真空渗铬。固体渗铬、液体渗铬和真空渗铬。（5 5）渗铝）渗铝目的：能极其有效地提高钢的抗高温氧化性、抗高温硫化物腐蚀性、抗大气及目的：能极其有效地提高钢的抗高温氧化性、抗高温硫化物腐蚀性、抗大气及海水的腐蚀性、抗应力腐蚀性等。海水的腐蚀性、抗应力腐蚀性等。（6 6）渗）渗V V、NbNb 高碳钢表面渗入强碳化物形成元素高碳钢表面渗入强碳化物形成元素V V、NbNb，它与钢中碳形成具有极高硬度的，它与钢中碳形成具有极高硬度的VCVC、NbCNbC大大提高钢件的耐磨性及使用寿命。大大提高钢件的耐磨

46、性及使用寿命。（7 7）多元渗）多元渗目的：充分发挥单个元素渗入优点，弥补其缺点，发展多元共渗。目的：充分发挥单个元素渗入优点，弥补其缺点，发展多元共渗。（a a）铬铝共渗：获得比渗铬或渗铝更高的耐热性及抗腐蚀性的渗层；）铬铝共渗：获得比渗铬或渗铝更高的耐热性及抗腐蚀性的渗层；（b b）铝硅共渗：提高合金的耐热性能；）铝硅共渗：提高合金的耐热性能；（c c）S-C-NS-C-N共渗：具有良好的抗擦伤和耐磨性共渗：具有良好的抗擦伤和耐磨性6.7 辉光放电化学热处理辉光放电化学热处理定义：利用稀薄气体的辉光放电现象加热工件表面和电离化学热处定义：利用稀薄气体的辉光放电现象加热工件表面和电离化学热处理介质，使之实现金属表面渗入欲渗元素的工艺。理介质，使之实现金属表面渗入欲渗元素的工艺。一、一、辉光放电辉光放电 离子化学热处理是利用稀薄气体辉光放电现象。离子化学热处理是利用稀薄气体辉光放电现象。右图是稀薄气体辉光放电伏安特性曲线右图是稀薄气体辉光放电伏安