12钢的化学热处理课件

第十一章

钢的化学热处理

材料与冶金学院李伟

主要内容

11.1概述

11.2化学热处理的原理及过程

11.3钢的渗碳

11.4钢的渗氮

11.5

钢的碳氮共渗

11.6渗硼及金属

11.7辉光放电离子化学热处理

1.概念将金属或合金工件放在特定的活性介质中加热到一定温度，使工件表面与周围介质相互作用，一种或几种化学元素的原子或离子扩散并渗入工件的表层，使其表面的化学成分发生改变，并配以不同的后续热处理，改变其金相组织与性能的一种热处理工艺。简单说是向钢的表面渗入某种元素的热处理工艺。注意：化学热处理既改变表面的化学成分，又改变其组织。化学热处理后渗层与基体金属之间无明显的分界面，由表面向内部其成分、组织与性能是连续过渡的。11.1概述其表面和心部具有不同的化学成分、组织、性能，从而获得单一材料难以获得的性能。

1）提高材料的表面硬度和耐磨性。碳钢渗C或C、N共渗→（淬火）获得表面高硬度、耐磨性，心部保持良好的塑韧性。

2）提高材料抗交变载荷的疲劳强度。渗氮（软N化或离子渗N）→表面形成压应力层，抗疲劳性能大幅提高。

3）增强材料的耐蚀性和耐热性能。渗Al→提高工件表面抗氧化、抗腐蚀的能力。2.目的以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。1）渗入非金属元素：

单元渗：C、N、B、O、S、Si等；多元渗：C＋N、O＋N、O＋C＋N2）渗入金属元素：

单元渗：Al、Cr、Ti、Nb、V、Zn

多元渗：Al＋Si、Al＋Cr、Al＋V、

Al＋Cr＋Si3.分类3）渗入元素对表面性能作用分类：

提高渗层强度及耐磨性→渗C、N、B、Nb、V等。

高抗氧化、耐高温→Al、Cr。

提高抗啮合、抗擦伤→渗S、N、磷化等。

提高抗腐性能→渗N、渗Si、渗Zn。4）介质的物理状态分：

固体―如固体渗C、固体渗B等。

液体―如盐溶炉渗B或B、C、N共渗等，渗Al等金属气体―气体渗C和C、N共渗。4.特点1）不受工件几何形状的限制任何几何形状复杂的工件经过化学热处理后，均可获得沿其轮廓分布的均一的表面化学热处理层。2）具有较好的工艺性如开裂倾向较小；处理温度范围较宽；对冷却介质的敏感性较小等。3）经济效果好4）能获得具有特殊性能的表面层廉价的钢材经化学热处理后可获得表面性能高的工件。经化学热处理的碳钢件的表层性能不亚于同类合金钢的性能。如耐腐蚀性、耐磨性等11.2基本原理及过程一、化学热处理的基本过程基本过程——大致分为三个阶段：1.分解阶段：渗剂中的化学反应分解出渗入元素的活性原子。2.吸收阶段：活性原子被金属表面吸收3.扩散阶段：渗入原子在金属基体内达到一定浓度后从工件表面向内部扩散。1、渗剂分解渗剂一般由含有被渗元素的物质组成，有时加入一定量的催渗剂，催化渗剂分解反应。渗剂必须具有一定活性。渗剂活性：在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。如920-930℃，含碳或含氮介质的分解：

2CO→CO2+[C]CH4→2H2+[C]2NH3→3H2+2[N]化学热处理时渗剂分解出被渗元素活性原子的反应有：1）置换反应：渗金属时，2）还原反应：如渗金属时，3）氧化反应：如渗碳时，

4）分解反应：如普通气体渗碳、渗氮时，渗剂的反应类型：催化剂：是促进含有被渗元素的物质分解或产生出活性原子的物质。例如：渗碳时除木炭外加碳酸钡或碳酸钠界面反应：渗剂的性能：1）经物理化学反应后，应能够持久的产生足够数量能使被渗金属吸收的活性原子或活性物质。2）成分应稳定，能长期有效的提高活性原子，具有可控性和可调节性。3）良好的安全性、无害性，成本低廉，使用方便。2.吸附过程及影响因素固体表面对气相的吸附作用按其作用力的性质不同可分为物理吸附和化学吸附两类。1）物理吸附：没有电子转移和化学键生成的吸附现象。这种吸附能迅速达到平衡，并在较低温度下发生。温度升高时吸附量下降，温度下降时吸附量又增加。2）化学吸附：当气体（吸附质）与金属表面（吸附剂）接触时二者以高速发生反应形成化学键，即发生电子交换，组成离子键结合或共价键结合叫化学吸附。化学吸附在低温时速度较小，随温度升高明显增大，这种吸附可以使分子解离。吸附是物质在相界面上自动聚集的过程。吸附过程并非在固体表面均匀进行，吸附中心往往出现在表面的一些缺陷处。吸收过程就是活性原子由钢的表面进入晶格形成固溶体的过程。钢的表面上存在大量的位错和晶界，为活性原子的渗入提供了方便的通道。Fe·[C]吸附→Fe·C溶

3Fe·[C]吸附→Fe3C溶解化合扩散指金属表面溶入被渗元素后，该元素浓度增加，形成浓度梯度，发生迁移现象。在一定的温度下，原子沿着浓度梯度下降的方向作定向扩散，形成一定厚度的扩散层。纯扩散渗入元素原子在母相金属中形成固溶体,在扩散过程中不发生相变或化合物的形成和分解。纯扩散常发生在化学热处理的初期，或渗剂的活性不足以形成饱和浓度的场合。如渗碳。反应扩散指通过扩散使固溶体溶质组元的浓度超过固溶度极限而形成新相的过程。3.化学热处理的扩散过程在化学热处理中，渗入元素原子在金属中形成的固溶体有两种：当渗入元素为原子半径较小的非金属元素（C、N、B)时，其与金属形成间隙固溶体；当渗入元素是金属元素时，其与原金属形成置换固溶体（铝、铬、硅、锌等）。渗层指在钢的表面渗入某种元素后，从表面向内保持该元素较高浓度的距离。（2）影响渗层深度的因素：20MnSi930℃渗碳10h后硬度1）渗层深度与扩散时间的关系说明渗层深度δ与时间t呈抛物线关系；即延长化学热处理时间，相邻区域的浓度差减小，扩散速度逐渐降低；随时间延长，扩散浓度的增加值也越来越少（先快后慢）。2）扩散层的组织结构扩散层的组织结构可以根据基体金属与渗入元素的合金状态图及扩散条件来确定。扩散层形成规律（渗剂B向金属A扩散为例）

T1CmCminAT/℃Cmax1234CmCminCmaxAnBm由表至里距离AnBmAnBm′α表面αAAnBm′αAAnBm′αAAnBmT1温度下扩散层组织变化过程化学热处理进行的条件:渗入元素的原子必须是活性原子,而且具有较大的扩散能力零件本身具有吸收渗入原子的能力,即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合,形成化合物。分解、吸收、扩散三者的协调进行是确保化学热处理成功进行的关键。1、化学催渗法概念：是在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗剂的分解，去除表面钝化膜，改善工件表面活化状态，以提高渗剂活性和增加活性原子的浓度。从而提高渗入能力。分类：1)提高渗剂活性的催渗方法：如，固体渗碳时渗剂加入Na2CO3，气体渗碳时加入苯或丙酮等。二、加速化学热处理过程的途径2）卤化物催渗法：如，气体氮化时，加入TiCl4或NH4Cl，在氮化温度下分解出HCl或Cl2，破坏工件表面的氧化膜，活化表面，促进吸附，加速渗氮。3）稀土催渗：渗剂中加入稀土或稀土卤化物，稀土原子的渗入能改变基体金属的的晶体结构和亚结构，其空位、位错环、层错等晶体缺陷增加，增加扩散通道，加速扩散。2、物理催渗法概念：是利用改变温度、气压，或利用特定的物理场（等离子场、真空、高频电磁场等），加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，及加速渗入元素的扩散等，加速化学热处理的过程，提高渗速。基本方法：1)高温化学热处理：对化学热处理的各个环节均有促进作用，有效加速全过程。2)真空化学热处理：真空作用下工件表面净化，吸附能力提高，浓度梯度增大，且可采用较高的温度，提高扩散速度，加快渗速。3)离子轰击化学热处理：在低于1大气压的含有欲渗元素气相介质中，利用工件与阳极之间产生辉光放电的同时渗入欲渗元素原子的工艺。渗速快，质量好，无污染。11.3钢的渗碳概念：

将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的一种表面化学热处理工艺。基本思路：在Fe-C相图中，α-Fe中碳的最大溶解度0.02%，而γ-Fe中碳的最大溶解度达到2.11%，相差100倍，希望在高温下渗碳，低温淬火，以期获得最高强度和最大表面硬度。目的：提高零件的表面硬度、耐磨性；高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度；心部保持良好的塑性与韧性。分类：按渗碳介质状态不同，分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。以气体渗碳应用最广泛。渗碳的材料

含碳量为0.1－0.3％的低碳钢或合金钢。

低淬透性、低强度

15、20、25

中等强度，淬透性

20Cr、20Mn2、20MnV

高强度，淬透性

20CrMnTi、20CrMnMo等。

超高强度

20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA

二、渗碳原理1.渗碳反应与过程

1）渗碳反应：最主要的渗碳组分为CO和CH4，在工件表面通过反应生成活性碳原子[C].2）渗碳过程：渗剂中形成CO和CH4等组分；CO和CH4等组分在工件表面吸附、反应，产生活性碳原子渗入表面，副产物CO2和H2O离开表面；渗入C原子向内扩散形成一定碳浓度梯度的渗碳层。3）渗碳过程的主要参数①碳势Cp：指渗碳气氛在一定温度下与钢件表面达到动态平衡时钢表面的碳含量，碳势高低反映了渗碳能力的强弱。Cp↑→渗碳能力↑→表面C%↑、渗层↑但是当Cp

太高→炭黑→渗速↓工件Cp<气氛Cp，渗碳；工件Cp>气氛Cp，脱碳②碳活度ac：相同温度下，钢奥氏体中C的饱和蒸汽压与以石墨为标准态的C的饱和蒸汽压之比。其物理意义为A中C的有效浓度，其大小与A中C含量有关。

fc——活度系数，与渗碳温度、合金元素种类及含量有关③碳传递系数β：表征渗碳界面反应速度的常数，也称C的传输系数（cm/s）：

J/——碳通量，g/(cm2·s)物理意义：单位时间内气氛传递到工件表面单位面积的碳量（碳通量）与气氛碳势和工件表面碳含量之间差值（Cp-Cs）之比，与渗碳温度、渗碳介质、渗碳气氛等有关。④碳的扩散系数D：与渗碳温度、A中碳浓度和合金元素种类及含量有关，其中渗碳温度影响最大。D=0.162exp(-16575/T)2.影响渗碳速度的因素渗碳深度d可近似计算：1）渗碳温度的影响渗碳温度升高，扩散系数增大，渗速加快，但温度过高会造成晶粒长大。表面浓度愈高，相同扩散时间条件下，渗层深度愈深。2）渗碳时间的影响渗层深度随时间的延长而增大，对于浅层渗碳，渗碳时间短不利于控制渗层深度。3）碳势的影响渗碳介质的碳势越高，渗碳速度越快，但渗层碳浓度的梯度增大，碳势过高还会在工件表面积碳。3.气体渗碳中碳势的测量与控制露点仪（氯点仪）露点：气氛中水蒸汽开始凝结成露的温度，气氛中水蒸汽%↑→露点↑→Cp↓原理：LiCl盐感湿元件吸水→导电性↑→控制系统通电→水蒸发CO2红外仪原理：CO2选择性吸收4.3μm红外线→红外线强度↓→调节装置控制氧探头原理：O2↑

→CO2↑、H2O

↑→Cp↓ZrO氧敏陶瓷管内、外氧%不同（内为参比气、外为炉气）→氧浓差电势→调控称重法：精密天平测量渗碳前、后的重量变化碳势的控制：一定工艺条件下，采用双参数（CO-O2、CO2-CO等）控制碳势可获得较好结果，当炉气成分基本不变时，可采用单参数控制碳势。分析对象反应时间精度露点仪H2O3~4min±1.5%℃红外仪CO、CO2、CH415s±1%℃氧探头O20.5~2s±1%℃1.固体渗碳法固体渗碳过程主要由下列步骤组成：①在灼热的固体碳表面上，CO2与碳反应生成CO；②在金属工件表面，CO分解析出活性碳原子；③活性碳原子被工件表面吸收，并向内部扩散。三、渗碳方法1）固体渗碳剂固体渗碳剂主要由供碳剂、催化剂组成。供碳剂一般为木炭、焦炭；催化剂一般是碳酸盐。木炭与渗碳箱内的氧气发生反应：

C+O2→CO2,CO2+C→2CO2CO→CO2+[C]催化剂的反应为：

BaCO3→BaO+CO2,CO2+C→2CONa2CO3→Na2O+CO2,CO2+C→2CO2）固体渗碳工艺把工件埋入渗碳箱中，四周填满固体渗碳剂，并用盖和耐火泥将箱密封，然后送入加热炉中，加热至渗碳温度(900∼960°C)，保温一定时间后出炉，即得所需样品。渗碳温度：900-9600C，有利于C的扩散，温度太高，A晶粒长大，降低加热炉和渗碳箱寿命。渗碳时间：根据渗碳层深度要求、渗碳剂成分、工件装箱量等具体情况而定。常用试棒检查渗碳效果。渗碳剂：要求表面含碳量高、渗层深，选择活性高的渗碳剂，反之选择活性低的渗碳剂。优点：不需要专门的渗碳设备，操作简单，成本低，大小零件都能用。缺点：渗速慢，渗碳时间长，渗层不易控制，不能直接淬火，劳动条件差，效率低。2.液体渗碳法在能析出活性原子的盐浴中进行的渗碳工艺。1)、液体渗碳用盐液体渗碳盐浴一般由中性盐、催化剂和供碳剂组成，中性盐（NaCl、KCl等）一般不参与渗碳反应，主要起调整盐浴密度、熔点和流动性的作用。催化剂一般采用碳酸盐，Na2CO3、BaCO3等。传统的渗碳盐浴以NaCN为供碳剂，这种盐浴相对易于控制，渗碳件表面碳含量较稳定，但氰盐有剧毒。近年来发展了低氰渗碳盐浴（NaCN含量保持在0.7-2.3%）和无NaCN型渗碳盐浴（用木炭粉和SiC作为供碳剂）。2)、液体渗碳工艺液体渗碳温度及盐浴活性是决定渗碳速度和表面碳含量的主要因素。液态渗碳的一般温度为920-940℃，对于渗层薄及变形要求严格的工件，可采用较低的渗碳温度（850∼900℃

）；对于要求渗层厚者，渗碳温度要高一些（910∼950℃

）。温度一定条件下，渗碳保温时间由渗层深度决定。3)、液体渗碳优缺点优点：渗碳速度快，加热均匀，渗碳后便于直接淬火，适合于处理中、小型零件。缺点：多数盐浴有毒。3、气体渗碳概念：把工件放在一定温度的富碳气体介质中，加热和保温进行渗碳的工艺。特点：操作简便，周期短，质量容易控制，劳动条件好。3.气体渗碳法气体渗碳示意图气体渗碳根据所用渗碳气体的产生办法及种类，可分为滴注式、吸热式和氮基式三种气体渗碳方法。1)、滴注式气体渗碳滴注式气体渗碳是指将苯、醇、煤油等有机液体直接滴入渗碳炉中裂解进行气体渗碳的方法。滴注式气体渗碳，一般采用两种有机液体同时滴入炉内。一种液体高温下分解产生的气体碳势较低，作为稀释气体；另一种液体高温下分解产生的气体碳势较高，作为渗碳气体。滴注剂的选择原则：①渗碳能力强，足够的活性原子用碳氧比与碳当量衡量（液体介质）

碳氧比：分子式中碳氧原子数之比。C/O越大，分解的活性碳原子越多，渗碳能力越强。甲醇CH2OHC/O=1

乙醇C2H2OHC/O=2

丙酮CH3COCH3C/O=3碳当量：产生一克分子碳所需该物质的量。碳当量越小，渗碳能力越强。甲醇CH2OH碳当量＝64

乙醇C2H2OH碳当量＝46

丙酮CH3COCH3碳当量＝29

渗碳能力由强至弱顺序：丙酮、乙丙酮、乙酸、乙脂、乙醇、甲醇②气氛成分的稳定性③原料经济，来源方便，无公害碳势调节方法：①改变两种液体的滴入比例来调节碳势。②使用几种渗碳能力不同的液体，通过改变液滴来调节碳势。滴注式气体的渗碳过程:分为四个阶段：排气、强渗、扩散及降温出炉①排气阶段：加大渗碳剂（稀释剂）滴量，使炉内氧化性气氛迅速减少。②强渗阶段：渗碳剂滴量较多，保证炉气有较高碳势，以提高渗碳速度。③扩散阶段：减少渗碳剂滴量，保持预定的碳势，使表层过剩的碳向内部扩散，最后得到要求的深度及合适的碳含量分布。④降温出炉阶段：直接淬火的工件，随炉冷至适宜的淬火温度，保温15∼30min后出炉淬火；需重新加热淬火的工件，自渗碳温度出炉后在空气中冷却。2)、吸热式气氛气体渗碳吸热式气氛渗碳时，炉内渗碳气体由吸热式气体（CO、H2、N2、H2O、CO2、O2等）加富化气（CH4、C3H8）组成。吸热式气氛由一定比例的原料气（天然气、丙烷、丁烷等碳氢化合物）和空气混合，通过内部催化剂、外部加热的反应罐，经吸热反应制备所得的气氛。需要有特殊的气体发生设备，适用大批量生产的连续作业炉。吸热式气氛的化学反应通式：3)、氮基气氛渗碳氮基气氛渗碳是一种以纯氮为载体，添加碳氢化合物进行气体渗碳的工艺方法。特点：①不需要气体发生装置。②成分与吸热式气氛基本相同，渗碳层深度的均匀性不低于吸热式气氛渗碳。③具有与吸热式气氛相同的点燃极限，由于N2能自动安全吹灭，故采用氮气气氛的工艺具有更大的安全性。④渗碳速度不低于吸热式气氛渗碳。4）、真空渗碳法是一种较新的气体渗碳工艺。真空渗碳的温度和适用范围特点：a由于将渗碳温度由普通气体渗碳时900∼950°C提高到1030∼1050°C以上，以及由于真空加热的表面净化作用所造成的表面活化状态，使渗碳时间显著缩短。b.渗碳表面质量好，渗碳层均匀，没有过渡渗碳的危险等，无脱碳现象，工件变形小，节省能源。c.作业条件好，如排除了烟、热对环境的污染等。四、渗碳工艺规范总原则：如何以最快的速度、最经济的效果获得符合要求的渗层。1.渗碳剂消耗量滴注式可控气氛渗碳：先将滴注剂流量调整至炉气达到所需的碳势，再根据渗碳过程中碳势测定的结果调整稀释剂与渗碳剂的比例。吸热式可控气氛渗碳：一般稀释气体以充满炉膛，并使炉内气压较大气压高10mm水柱即可，没每小时所供气体体积约为炉膛的2.5-5倍体积。富化气根据碳势要求添加。2.渗碳时间根据渗层深度及碳势浓度的分布曲线确定。五、渗碳后的热处理工件渗碳后，表层高碳，心部低碳。为获得理想的性能，需要进行热处理。渗碳后热处理的目的：a.提高工件表面的强度、硬度和耐磨性能；b.提高心部的强度和韧性；c.细化晶粒；d.消除网状碳化物和减少残留奥氏体；e.消除内应力，稳定尺寸。1、直接淬火渗碳后，预冷到一定温度，立即进行淬火冷却，这种方法适合于气体或液体渗碳，固体渗碳不适合。2、一次淬火法工件渗碳后随炉冷却到室温，然后再重新加热到淬火温度，经保温后淬火。3、两次淬火法将渗碳缓冷到室温的工件进行两次加热淬火。注意：淬火后需要进行低温回火。渗碳后常用热处理方法：1.预冷直接淬火定义：工件渗碳后随炉或出炉预冷到稍高于心部成分的Ar3温度，然后直接淬火，这种处理方法叫直接淬火法。预冷的目的：减少零件与淬火介质的温差，从而减少淬火应力和零件的变形。优点：工艺简单、生产效率高、成本低、氧化脱碳倾向小。缺点：奥氏体晶粒粗大导致淬火后形成粗大的马氏体，性能下降适用：过热倾向小的本质细晶粒钢，如20CrMnTi组织：淬火后（淬透）表面：淬火马氏体+残留奥氏体+二次渗碳体。心部：低碳马氏体回火后表面：回火马氏体+残留奥氏体+部分二次渗碳体心部：回火低碳马氏体定义：零件渗碳终了出炉后缓慢冷却，然后再重新加热淬火，这种处理方法叫一次加热淬火法。优点：细化渗碳时形成的粗大组织，提高力学性能。淬火温度的选择：如果强化心部，则加热到Ac3以上；如果强化表层，只需加热到Ac1以上。适用：组织和性能要求较高的零件，生产中应用广泛2、一次淬火法淬火温度的选择要兼顾表面和心部的要求。①心部要求较高强韧性的零件，加热至心部Ac3稍上。心部:细小的低碳M；表面可消除网状渗碳体；晶粒较粗大，残余奥氏体较多，影响耐磨性。②对表面耐磨性要求较高的零件，加热温度应选择在Ac1

稍上，表面层为M、未溶碳化物和少量残余奥氏体心部低碳M和未溶铁素体。3、二次淬火定义：工件渗碳缓冷后两次加热淬火。淬火温度的选择：一次淬火加热温度一般为心部成分的Ac3以上，目的是细化心部组织，消除表层网状碳化物；二次淬火一般加热到Ac1以上，使渗层获得细小粒状碳化物和隐晶马氏体，以保证获得高强度和高耐磨性。缺点：工艺复杂、成本高、效率低，氧化、脱碳、变形大。适用：要求表面高耐磨性和心部高韧性的重要零件，当直接淬火、一次淬火无法满足要求时才使用。六、渗碳后的组织与性能1、渗碳后缓冷到室温下的组织表面过共析区：P＋Fe3CII；接近共析区：P；亚共析区（过渡区）：F＋P；心部：原始组织。共析区过共析区渗碳后缓冷，渗层分三个区域：①过共析层：OA段珠光体＋网状渗碳体②共析层：A段珠光体③过渡层：AC段珠光体＋铁素体心部原始组织：大量铁素体＋少量珠光体渗碳层的组织过共析组织(P+Fe3CⅡ)共析组织(P)过渡区亚共析组织(P+F)原始亚共析组织(F+P)2、渗碳后淬火加低温回火后的组织：表面：回火马氏体+颗粒状碳化物+残余奥氏体；心部组织依据钢种来确定：若为低碳钢，淬透性差，为铁素体+珠光体；若为低碳合金钢，淬透性好，为马氏体加少量铁素体。亚共析区心部3、性能表面：具有较高的硬度、耐磨性以及疲劳强度；心部：具有良好的塑性与韧性。渗碳件的组织对性能的影响：（1）表层碳含量表面含碳量应控制在0.9％左右。（2）残留奥氏体：与马氏体相比，残留奥氏体强度、硬度较低，塑性、韧性较高，组织中有一定数量的残留奥氏体，能起到对外力缓冲和使应力分布均匀的作用，增加了疲劳裂纹形成和扩展的阻力，提高了钢的断裂韧性。一般不宜超过30％（3）渗层碳化物：可显著提高工件的耐磨性和抗咬合性，但粗大块状或网状碳化物的存在，会破坏基体组织的连续性而引起脆性，使工件表面产生剥落。（4）心部硬度及组织：工件心部硬度取决于钢的碳含量。合适的心部组织应为低碳马氏体、贝氏体或索氏体，不允许有大块、大量的铁素体存在。（5）渗碳层深度：渗碳层的深度愈深，可以承载接触应力愈大。在满足工件使用要求的前提下，渗层越浅越经济。过多地增加层深，会使表面残余压应力降低，工件韧性下降，疲劳强度降低。一般渗碳件的工艺路线：锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火+低温回火→精加工七、渗碳件的质量检查

1、渗碳层的深度的检查（测定）常用随炉渗碳试样来判别。（1）断口分析法：将渗碳试样淬火后打断观察，渗层断口呈白色瓷状，未渗碳部位为灰色纤维状，两层交界处的含碳量约为0.4％。为了清楚地显示渗碳层，可将试样断口磨平抛光，4％硝酸酒精溶液腐蚀，渗碳层呈黑色，中心部分呈灰色，直接用读数放大镜测出渗层深度。（2）金相分析法：退火态下测量。碳钢件：从表面测到过渡区的1/2处。合金钢：从表面到出现原始组织为止。（3）硬度法：渗碳渗层深度为从表面向里到硬度HV550。2、硬度检查：根据技术要求和工艺规定的部位检查硬度。

一般要求检查淬火及低温回火后的表面硬度(大于58HRC)和心部硬度。

3、金相组织检查渗碳件淬火及回火后的金相组织检查，包括表层碳化物的数量，分布特征，马氏体粗细，残余奥氏体的含量，心部游离铁素体的数量大小分布状态。

图5-21块状碳化物级别8级400×

八、渗C缺陷及控制1.表面粗大网状、块状碳化物控制方法：降低渗碳剂浓度、数量，强渗期温度调低。形成原因：碳势太高，温度太高，保温时间太长。返修方法：调整碳势并补渗；脱C层≤0.02mm时，喷丸处理18CrMnTi渗碳表面脱碳2.表层贫碳或脱碳形成原因：扩散期碳势降低太多，炉子漏气，缓冷或出炉时氧化脱碳形成成因：渗C或淬火温度过高，使A中的C及含C量过高。防止方法：降低碳势，降低渗C温度和淬火温度，降低重淬温度。返修方法：（1）深冷处理，使A′→M（2）高温回火后重淬表面大量残余奥氏体400×

3.表面大量残余奥氏体形成成因：炉温不均匀，炉气循环不好，碳黑沉积在工件表面,固体渗C时，渗剂不均匀4.渗C层深度不均匀形成原因：炉温低，碳势低，漏气，装炉量过大等防止办法：检查渗剂给入量，修复炉子不良状况，清理沉积碳黑。返修方法：补渗5.渗层深度不够现象：渗碳层表面组织中出现沿晶界呈断续网状的黑色组织。形成成因：渗碳介质中氧向钢的晶界扩散，形成Cr、Mn和Si的氧化物，发生内氧化，也可能是由于氧化使晶界及附近的合金贫化，淬透性低，淬火出现非M组织。防止办法：主要渗碳炉的密封性，降低炉中含氧量，如深度小于0.02mm，可将其磨去或进行表面喷丸处理。6.黑色组织现象：在先共析渗碳体周围出现铁素体层，淬火出现软点防止办法：适当提高淬火温度或延长淬火加热保温时间，使A均匀化，并采用较快的淬火冷却速度。7.反常组织8.表面硬度低形成成因：表面碳浓度低，A′量多，或表面形成屈氏体组织返修方法：补渗、深冷、重淬。9.变形成因形成：摆放不当，压挤

防止方法：合理吊装工件，淬火压床加压淬火10.开裂――在缓冷过程中产生表面裂纹形成成因：渗C后空冷渗层组织转变不均匀所致。如：20CrMnMo渗后空冷，表层先形成薄层屈氏体，下面为A，继续冷却时A→M，表面形成拉应力所至。防止方法：先减慢冷速使渗层共析转变后再快冷。思考题：

用20钢制造的20mm的小轴，经930℃，5小时渗碳后，表面碳的质量分数增加至1.2％，分析经下列热处理后表面及心部的组织：

20钢AC3为855℃，Ar3为835℃；T12钢Acm为820℃(1)渗碳后缓冷到室温。

(2)渗碳后直接淬火，然后低温回火。

(3)渗碳后预冷到820℃，保温后淬火，低温回火。

(4)渗碳后缓冷到室温，再加热到880℃后淬火，低温回火。

(5)渗碳后缓冷到室温，再加热到780℃后淬火，低温回火。11.4.金属的氮化定义：钢铁工件在一定温度（一般在Ac1以下）的含有活性氮的介质中保温一定时间，使其表面渗入氮原子的过程称为渗氮或氮化。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。优点：（1）高的表面硬度及耐磨性含Al、Cr、Mo的氮化钢，HV1000～1100，相当HRC65～72；到600℃仍可维持相当高的硬度。

一、概述（2）高的疲劳强度和抗腐蚀能力由于渗氮后钢件表层比容增大，产生压应力，使疲劳强度↑形成致密的耐蚀氮化物，工件在水、碱性溶液中都很稳定。（3）变形小且规律性强氮化温度较低（常在500～600℃），零件心部无相变，且氮化后渗层直接获得高硬度，不必再淬火，避免了淬火引起的变形。引起氮化零件变形的原因主要是氮化层体积膨胀，变形的规律性强。（4）较高的抗“咬卡”性能“咬卡”指由于短时间缺乏润滑并过热，相对运动的两表面间卡死、擦伤或焊合的现象。氮化层的高硬度和高温硬度，使之具有好的抗咬卡性能。用途：用于耐磨性和精度都要求较高的零件，或要求抗热、抗蚀的耐磨件。Eg:发动机汽缸、排气阀、精密机床丝杠、镗床主轴、气轮机阀门、阀杆等。分类：气体渗氮、液体氮化（软氮化）和离子渗氮适用对象：传统的渗氮钢，不锈钢，工具钢和铸铁缺点：渗氮工艺过程较长（几十甚至上百个小时），渗层较薄，脆性大。不能承受太大的接触应力。α相—N溶于α-Fe中的间隙固溶体（含氮铁素体），体心立方结构，N含量<0.11%。γ’相—以Fe4N为基可变成分的固溶体，面心立方结构，N含量5.7-6.1%。ε相—以Fe3N为基的固溶体，密排六方结构，N含量8.25-11%。γ相—存在于共析温度(590°C)之上，含氮奥氏体，面心立方结构。ξ相—以Fe2N为基的固溶体，正交结构，N含量11-11.35%。极脆，容易脆裂和剥落，渗氮时应避免此相出现。两个共析反应：590℃：γ→α＋γ’650℃：ε→γ＋γ’二、渗氮的原理与过程钢的渗氮过程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。

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。

2NH3→3H2+2[N]

Fe+[N]→Fe(N)4Fe+[N]→Fe4N3Fe+[N]→Fe3N2Fe+[N]→Fe2N活性氮原子被钢的表面吸收形成固溶体和氮化物，随着氮化时间的增长，氮原子逐渐往里扩散，形成一定深度的氮化层。发生如下反应：氮势：表征一定温度下钢中N的活度。r的性质：只取决于气相的组成在一定温度渗氮时，形成相或ε

相的临界氮势是一确定值r的控制：氨分解率提高氮势：加大气体流量，降低氨分解率降低氮势：减小气体流量，提高氨分解率γ′N化层形成过程示意①向炉内不断通入氨气②氨分子向金属表面迁移③氨分子被金属表面吸附④氨分子在金属表面不断分解，形成氮原子和氢原子⑤活性原子复合成分子，不断从炉内排出⑥表面吸附的活性氮原子溶解于α－Fe中N化层形成过程示意⑦氮原子由金属表面向内部扩散⑧当氮超过在α－Fe中的溶解度后，表层开始形成氮化物⑨氮化物长大⑩表面依次形成γ′和ε相⑾氮化层不断增厚⑿氮从氮化物层向金属内部扩散氮化层强化机理氮化强化与渗碳强化区别渗碳强化:先渗碳后淬火获得相变高碳马氏体强化相氮化强化:合金氮化物的时效强化，氮化后无须热处理N化强化机理

1）N和Me元素原子的偏聚形成G-P区，引起强烈畸变。

2）过渡型氮化物的析出；

3）稳定的合金氮化物具有弥散强化效果。强化效果与合金元素有很大关系，形成的合金氮化物越稳定，其强化效果越好，Al、Cr、Mo能强烈提高氮化层的硬度，氮化王牌钢38CrMoAl三、氮化层的组织1、纯铁氮化层组织1）由铁-氮状态图可见，在低于590℃氮化，渗氮层组织由表及里为：渗氮时：ε→γ′→ɑ相渗氮后缓冷：ε→ε+γ′→

γ′→γ′+ɑ→ɑ

相这是渗氮时共析反应不会发生，γ′相不易从ε相中析出；同样，γ′相也不易从ɑ相中析出，两相区ε+γ′、γ′+ɑ不会出现，所以，金相观察只有ε→γ′→ɑ相组织。2）大于600℃渗氮时，渗氮层组织由表及里为：

ε→γ′→γ

→ɑ相渗氮后缓冷：ε→ε+γ′→γ′→γ′+ɑ→ɑ

相渗氮后快冷：ε→γ′→（含N

马氏体）

→ɑ相3）若考虑N的扩散条件，有些相不会出现。eg.520℃X324h和600℃X24h渗氮，不会出现γ′，原因：γ′区间窄，N浓度梯度小

N在γ′中的扩散系数远小于ɑ中实际情况下的氮化层组织从表面至心部的金相组织为：表面:回火索氏体+ε氮化物（一般要磨削去除、脆性大、不可用）氮化层:回火索氏体+α、γ’氮化物（工作层）心部:回火索氏体注：钢的氮化热处理可以有和马氏体一样的转变。氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度38CrMoAl气体渗氮层组织(化染)650黄色区:ε(Fe2-3N)+γ’(Fe4N);红色区:γ’(Fe4N);蓝绿色区:含氮索氏体+脉状氮化物;

绿黄色区:索氏体基体。2、钢中碳及合金元素对氮化组织的影响

（1）碳的影响

①降低氮的扩散速度，减小氮化层的深度；②N能溶入渗碳体，形成含氮渗碳体Fe3(C,N);③C能溶入ε相，成为Fe2-3(C,N),而不溶入γ´相中。钢中的含碳量（％）0.060.431.18氮扩散系数（m2/s)5×10－91.25×10－90.514×10－9（2）合金元素的影响①合金元素溶解于铁素体并提高N的溶解度，如W、Mo、Cr、Ti、V和少量的Zr、Nb可溶解于F，提高N在F中的溶解度。②形成Fe和合金元素的氮化物(Fe、Me)3N、(Fe、Me)4N等，Al、Si、Ti能大量溶解于γ′，扩大γ′的均相区。ε相的N含量和厚度均随F中合金量的增加而减小（Al不改变ε相中的含N量）。③形成合金N化物，只有过渡族金属中次外层d亚层充填不满的金属才能在钢中形成N化物。按形成N化物由难到易的顺序：Ni，Co，Fe，Mn，C，Mo，W，Ti，Zr等。选择氮化的钢材，一般应含有Cr、Mo、Al、V、Ti等氮化物形成元素的钢，从而达到提高硬度和强度的目的。常用的氮化钢有：

40Cr、35CrMo、38CrMoAl等。

四、氮化工艺

1、氮化前的预处理（调质处理）①保证心部有足够的强度支撑较脆的氮化层；②消除加工应力，减小变形；③为氮化层的性能作组织上的准备。

常用调质处理，获得回火索氏体组织。

2、非氮化层的保护①镀锡熔点232ºC，锡熔化后吸附在工件表面，阻碍氮原子渗入，镀锡层厚：0.004～0.008mm②涂料水玻璃＋石墨粉，涂后烘干，涂2～3次。3、氮化参数的控制氮化温度和时间确定氮化温度一般在480—570℃左右。氮势（氨分解率）控制氨分解率=（氢气体积+氮气体积）/炉气总体积说明：氨分解率测量时，采用炉内抽区废气密封，注入水、由于氨溶解于水，剩下为氢气和氮气，求它们的比值即为氨分解率。4.渗氮工艺方法根据渗氮目的不同，渗氮工艺方法分成两大类：一类是以提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度等为主要目的而进行的渗氮，称为强化渗氮；另一类是以提高工件表面抗腐蚀性能为目的的渗氮，称为抗腐蚀渗氮，也称防腐渗氮。

1）强化渗氮：一段氮化（等温氮化）、二段氮化、三段氮化。①一段氮化（等温氮化）如38CrMoAlA钢氮化前处理1050℃+560℃回火Ⅰ：升温阶段Ⅱ：形成氮化物阶段

采用低氨分解率（18—25%），使表面快速吸收大量氮原子；Ⅲ：扩散阶段采用较高氨分解率（30—40%），使表面氮进一步向内层扩散，增加渗层厚度Ⅳ：退氮阶段在氮化前使表面氮浓度降低，采用高的氨分解率（70%），降低表面氮势，减少表面脆性（脆性白亮层）；Ⅴ：缓慢冷却阶段减少表面氧化和工件变形，仍保持高的氨分解率。②二段氮化法第二阶段把温度提高到550一570℃，氨分解率控制在40一60％之间，目的是加速氮在钢中的扩散，以增加氮化层深度。由于第一阶段形成的氮化物稳定性高，在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，而且可使氮化层的硬度分布趋于平缓。③三段氮化法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度比二段氮化的更高一些，一般为560-580℃，以进一步提高氮化速度，达到一定氮化深度后，再将温度降至相当于第一段的温度或稍高的温度下继续氮化，使表层氮浓度达到最佳浓度，而不致使表面硬度过低。渗氮的一般工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→去应力→粗磨→氮化→精磨或研磨2）防腐渗氮防腐渗氮的目的是使工件表面获得0.015-0.06mm厚致密、化学稳定性高的ε相层。防腐渗氮对水、过热水蒸气、弱碱液均具有较好的抗腐蚀性能，但在酸性溶液中没有抗腐蚀性。抗腐渗氮与强化渗氮过程基本相同，但渗氮温度较高，有利于致密的ε相形成和缩短渗氮时间。若温度过高，则表面N含量降低，孔隙增大，耐蚀性降低渗氮后应尽量快冷，抑制ε相转变γ′（孔隙率增大）。五、氮化层质量的检查及缺陷

1、氮化层的深度（1）断口法出炉后在凹槽处敲断，用25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，很易区分。（2）金相法将氮化试棒制成金相试样，腐蚀后在显微镜下测量。2、氮化层硬度氮化层很薄，一般用载荷较小的维氏硬度，10kg负载。3、氮化层的脆性

一般用维氏硬度压痕形状来评定；1、2级为合格，3、4

级为不合格。合格组织：表面为索氏体＋弥散的氮化物粒子心部为细索氏体4、金相组织5、常见缺陷变形及尺寸增大

原因：残余应力变形、装炉不当自重变形、局部渗氮胀量不同变形、渗氮层比容增大膨胀。渗氮层脆性和脱落

原因：冶金杂质、裂纹等缺陷处N浓度过高，ε过厚起泡而剥落、表面脱碳、预热处理过热。渗氮层硬度不足及软点

原因：脱碳和晶粒粗大、表面N浓度低、合金氮化物粗大或过少、渗氮层浅引起硬度不足；表面出现异物影响N吸收引起软点。六、渗氮新工艺——离子渗氮在低于一个大气压的渗氮气氛中，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。工艺过程：真空度10-1-10-2Torr(1Torr=1mmHg=133.3Pa)的离子渗氮炉中，通入NH3，工件－，炉壁＋，400-750V，氨气被电离成氨和氢的正离子和电子，阴极工件表面形成一层紫色辉光，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450-650℃；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。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。工艺特点：速度快、周期短。38CrMoAlA要达到0.53-0.7mm深的渗层，15-20h（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性质。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900-1000mm、外径27mm的螺杆，渗氮后其弯曲变形小于5μm。工艺特点：对材料的适应性强。渗氮用钢、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。缺点：投资高，温度分布不均，测温困难和操作要求严格等。11.5碳氮共渗在钢的表面同时渗入碳和氮化学热处理工艺称为碳氮共渗氰化：碳氮共渗可以在气体介质中进行，也可在液体介质中进行．因为液体介质的主要成分是氰盐，故液体碳氮共渗又称为氰化。目的：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820—850℃碳氮共渗。中碳调质钢在570—600℃温度进行碳渗共渗，可提高其耐磨性及疲劳强度，高速钢在550—560℃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．

一、碳和氮同时在钢中扩散的特点1、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作用由于N使g相区扩大，且Ac3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，因而氮又阻碍碳的扩散。碳降低氮在ε、ɑ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可分成两个阶段：第一阶段共渗时间较短(1—3小时)，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吸收，反而使渗层表面部分氮原子进入到气体介质中去

，造成表面脱氮。二：中温气体碳氮共渗1．中温气体碳氮共渗的优点与气体渗碳相比有如下优点：(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；(3)处理后零件的耐磨性比渗碳的高；(4)工件扭曲变形小。2．共渗介质目前常用的有两大类：

(1）含2～10％氨气的渗碳气体；可用于连续式作业炉，也可用于周期式作业炉。在用周期式作业炉进行碳氮共渗时，除了可引入普通渗碳气体外，也可象滴注式气体渗碳一样滴入液体渗碳剂，如煤油、苯，丙酮等。除渗N、C反应外，还存在：（2）含碳氮的有机液体。主要用于滴注法气体碳氮共渗。常用介质为三乙醇胺，在三乙醇胺中溶入20％左右尿素。CO+NH3→HCN+H2O

H4+NH3→HCN+3H2

2HCN→H2+2[C]+2[N]3．共渗温度及时间中温气体碳氮共渗工件一般都是共渗后直接淬火+低温回火。因此，尽管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Ac3点以上，接近于点Ac3的温度。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，因此失去碳氮共渗的意义。一般共渗温度在820～880℃之间，其表面碳浓度约为0.7～1.0%。共渗温度确定后，共渗时间根据渗层深度要求而定，层深x与时间t的关系：5．碳氮共渗层的组织与性能碳氮共渗层的组织取决于共渗层中碳、氮浓度，钢种及共渗温度。组织：表面为马氏体基底上弥散分布的碳氮化合物，向里为马氏体加残余奥氏体，残余奥氏体量较多，马氏体为高碳马氏体；再往里残续奥氏体量减少，马氏体也逐渐由高碳马氏体过渡到低碳马氏体。

4．碳氮共渗后的热处理

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．

共渗层中C、N含量严重影响渗层组织。C、N含量过高，渗层表面出现密集粗大条状碳氮化合物，使渗层变脆。渗层N过高（氮含量超过50%），表面会出现空洞；渗层N过低，是渗层过冷A稳定性降低，淬火后渗层出现屈式体网。一般N含量为0.3%-0.5%为宜。C、N含量增加，耐磨性和接触疲劳强度提高，但N过高会出现黑色组织，使疲劳强度降低。三、氮碳共渗(软氮化)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。氮碳共渗层组织：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ε为主、含有少量的γ’和Fe3C的化合物层（或称为白亮层），由γ’相组成的N的扩散层和以含氮铁素体α(N)为主的过渡层。主要是由于C在ε相中的溶解度大，而在γ’和α相中溶解度极小。且共渗温度低，C的扩散速度慢，易在表面形成碳化物。含碳ε相韧性好、硬度和耐磨性高，软氮化希望获得单一的ε相。性能（合理控制C、N含量）：含C过高，硬度高，但接近渗碳体性能，脆性大；含C低、含N高，趋近于纯N相性能，硬度低，脆性大。

软氮化的工艺：连续式作业炉一般采用吸热式气氛和氨气的混合气体积比1：1为最佳。在周期式作业炉中所采用的介质种类较多．我国常用的有尿素、甲酰胺、三乙醇胺，以及醇类加氨气等软氮化特点：大大提高零件的耐磨性、抗咬合性和擦伤性大大提高零件的疲劳强度提高钢的抗大气和海水腐蚀能力软氮化温度和时间：

温度：570°C，时间：1-6h其分解反应：尿素：（氮势大于碳势，适合软氮化）

(NH2)2CO→2[N]+CO+2H22CO→CO2+[C]甲酰胺：（氮势大于碳