特殊热处理——可控气氛

1、可控气氛热处理,.,2,化学热处理的工艺方法,.,3,可控气氛热处理概述,为防止氧化、脱碳等缺陷，将热处理炉中充入中性气氛或还原气氛等，对工件进行保护加热处理，或同时进行渗碳、渗氮、碳氮共渗等化学热处理，称为可控气氛热处理。将工件放在含有渗入元素的活性气体介质中，加热到一定的温度后进行保温，利用固态扩散使渗入元素被吸附并扩散到表面层，改变表面层的化学成分，从而使工件表面层的组织结构和性能发生变化。,.,4,基本原理,分解：渗剂中生成能渗入工件表面的活性原子的反应。吸附：活性的原子（或离子）于表面金属的原子产生键合而浸入其表层。扩散：工件表面吸附活性原子（或离子）后，其表面浓度与内部形成浓度梯度

2、，满足扩散条件，渗入的元素相内部迁移形成一定厚度的扩散层。,.,5,可控气氛热处理目的,.,6,主要的可控气氛,按原料分类：碳氢化合物吸热式气氛放热式气氛净化放热式气氛空气制氮的氨基气氛液氨制备的气氛有机液体的滴注式气氛,.,7,主要保护气氛的成分和露点,.,8,主要保护气的来源及应用,.,9,工业使用率的统计,放热气氛25%吸热气氛25%净化的氮基或单组分气体气氛30%分解氨气氛12%其他气氛8%,.,10,吸热式气氛,气氛组成：CO、CO2、N2、H2O、H2碳氢气和空气的比例应使有足够的氧形成一氧化碳和氢而不足以形成二氧化碳及水蒸气。氧化反应本质是吸热的，燃烧过程只能借助于外部加热来维持

3、，氧化过程释放的热不足以维持反应。,.,11,吸热式气氛,采用天然气及丙烷制备：2CH4+O2=CO+4H2典型成分：CO10%，CO20.1%，H240%，CH40.5%，N240%，H2O0.2%2C3H8+3O2=6CO+8H2典型成分：CO23.7%，CO20.11.0%，H231.6%，CH41%，N244.7%，用于渗碳、碳氮共渗载体气，淬火。,.,12,放热式气氛,典型成分（体积%）为：淡型:CO1.5%,CO210.512.8%,H20.81.2%，CH40%，N2其余;浓型:CO10.211.1%,CO25.07.3%，H26.712.5%，CH40.5%，N2其余。用于低碳

4、钢退火、正火、淬火、回火；铜的退火、钎焊及烧结保护等；液化石油气制备。,.,13,净化放热式气氛,典型成分（体积%）为：淡型:CO1.71.8%,H20.91.4%，N2其余;浓型:CO10.511.2%,H28.313.4%,N2其余用于渗碳、碳氮共渗载气、钢件退火、正火、淬火、回火等；丙烷、丁烷制备。,.,14,氨基气氛,空气制氮的氨基气氛：典型成分（体积%）：CO7.510%,CO20.110.19%,H215.020.0%，CH40.3%，N2余量用于渗碳、碳氮共渗、渗氮、钢件退火、正火、淬火、回火；钎焊及烧结保护等；氮气+甲醇（CH3OH）制备。液氨制备的气氛：氨燃烧气氛：H21.0

5、20%,N2余量.不锈钢、电工钢、低碳钢的光亮退火、淬火、渗碳、碳氮共渗载气。氨分解气氛：H275%,N225%.不锈钢、硅钢的退火等,.,15,特殊气氛,有机液体的滴注式气氛：典型成分（体积%）为：CO33.0%,CO20.11.0%，H266.0%，CH41.5%有机液体：甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、醋酸乙酯等用于钢件的淬火、渗碳、碳氮共渗载气。,.,16,可控气氛渗氮,渗氮是在含有氮原子的气体介质中，将工件加热到一定温度后，钢的表面被碳原子渗入的一种工艺。工艺较复杂、时间长、成本高，应用于耐磨、耐蚀和精度要求高的耐磨件。,渗氮的渗层结构,.,17,钢中渗氮层的结构,.,18,渗氮工艺分类,

6、低温渗氮：600以下高温渗氮：6001200分段渗氮：分别在较低温度剂及较高温度进行阶段式淬火。催渗渗氮：添加起催渗作用的物质加速扩散。渗氮新工艺：电接触加热渗氮、磁场加速渗氮、超声波渗氮、等离子渗氮等。,.,19,深层渗氮,32Cr3MoVE钢深层渗氮(三段式气体渗氮）,深层渗氮工艺,.,20,深层渗氮层的硬度及残余应力,渗氮渗碳层硬度梯度,渗层残余应力分布（磨削后）,.,21,离子渗氮,优点：无须预除钝化膜即可对不锈钢进行气体渗氮；渗氮层组织和相组成可以控制,；渗层脆性小、质量好,可显著提高渗氮速度,其处理周期约为气体渗氮的1/31/5。Q：由于工件棱角、平面处接受离子撞击的概率不同,致使

7、棱角、平面处温度不一致；温度场均匀性和检测温度的可靠性较差；工件要有一定批量。,.,22,离子渗氮改进,当前采用外热式加热,首先将炉内温度加热达到400左右,再由离子轰击达到最终工艺温度,可较为有效地改善炉温均匀性。先离子渗氮、后气体渗氮,充分利用离子渗氮的优势,在渗氮前期更快地使氮原子渗入工件中,后期则采用气体渗氮,调整渗层组织,实现渗层优化。金属活性屏作为炉子阴极,完全可避免弧光和空心阴极放电损坏零件。,.,23,循环变温离子渗氮,周期性的渗氮+时效,使+Fe3C,形成通道和若干缺陷界面,有利于提高N的扩散速度,45钢循环渗碳工艺,.,24,稀土催渗渗氮,大半径的稀土原子在完整晶体内部形成

8、含稀土的固溶体,其周围的Fe点阵发生畸变,间隙原子C、N等将在畸变区偏聚形成气团,当N原子挣脱气团后将沿这个特殊通道向前快速扩散,从而提高了扩散系数。稀土的存在使铁原子晶格畸变加剧,相对于晶格内部,氮原子在该处的扩散系数要高得多,大量弥散、细小的氮化物和畸变区的存在,增加了氮的扩散通道,加速了渗氮过程。添加稀土元素后,离子渗氮过程中表面氮浓度为一变量,且随时间延长而增加,表面相结构由渗氮2h的单一相逐渐转变为和双相,当渗氮时间超过4h时,化合物层生长明显加速。与未添加稀土元素者比较,经7h脉冲稀土离子渗氮后化合物层增加45%。,.,25,稀土催渗渗氮,.,26,高温渗氮,渗氮工艺方面的研究开发

9、转向600750温度区间。650以下时,随处理温度的升高,化合物层厚度迅速增加;650以上时,随着温度升高,化合物层厚度减少。在600700渗氮,除得到化合物层、扩散层外,还会得到奥氏体层。含氮奥氏体是这一温度的特有相,在冷却时转变为马氏体或贝氏体,硬度可达800HV以上。高硬度马氏体层与化合物层相配合,有利于提高零件的耐磨性。,.,27,增压气体渗氮,氨气在炉内的反应式为：FeN为氮在铁中的固溶体。氮在固溶体中的活度（N）与炉气中的NH3的分压（PNH3）与H2的分压（PH2）存在以下关系（K平衡常数）：氨分解是体积增加的过程，随着炉压提高，NH3分解率降低，同时H2的分压降低，NH3的分压

10、增大，根据式2可知N随之提高。提高炉压，可降低氨的分解率，能有效降低氨的消耗量，能节约氨气2030%。增大炉压可以明显缩短渗氮时间；但炉压应保持在合理的范围内正压并大于53kPa的低压范围内，炉压的变化对渗氮时间的影响不明显，而在小于27kPa时，渗氮速度骤然下降。,.,28,炉压对渗氮过程的影响,提高炉压可以增加零件表面氮原子的吸附量提高炉压可以提高氨气的活度提高炉压可以提高界面反应速率增高炉压可以提高对狭缝、深孔等的渗氮能力,.,29,增压气体渗氮应用与分析,.,30,增压气体渗氮工艺影响因素,第一段温度在500530吸附量与温度成反比但温度过低不利于活性氮原子的界面反应,生成及相。第一段

11、保温时间不用太长,只要形成一定厚度的高氮化合物层,就足以保证氮原子向基体中的扩散。随第二段温度的提高,其平均渗速提高。说明了扩散速度主要决定于温度。但当超过560长时间保温会使相分解,表面硬度下降。,.,31,直生式渗碳技术,直接用固定流量的碳氢气体注入炉中;主要组分：CO,H2和CH4主要组分达不到热力学平衡，但当气氛存在某个稳定的平衡状态，则有确定的碳活度，即使CH4含量较高，碳的传输仍受CO反应控制：COCOadC+Oad即碳活度可以用平衡方程确定,.,32,直生式渗碳气氛的产生,N2/甲醇（CH3OH）气氛：经热分解：CH3OHCO2H2高于800C分解很快，炉中形成平衡气体状态工业上

12、采用天然气、丙烷、丙酮、异丙醇，乙醇、丁烷、柴油、煤油等；气体或液体形式。,.,33,直生式渗碳系统的工作方式,整个处理时间，向炉中注入一定量的气体燃料；碳势通过注入炉中的空气量来控制，减少空气流量则提高碳势。液体燃料系统是在燃料注入炉中以前，经过安装在炉定的蒸发器，空气加入蒸发器，产生蒸气（燃料气载气）/空气的混合气进入炉子。要求炉子加热能力及气体循环能力较好。,.,34,直生式渗碳特点,优点：炉子调控时间短碳势变化迅速、灵活渗碳均匀碳的传递速率较高气氛生成的成本低廉限制：炉温高于800,.,35,渗碳新技术,低压渗碳技术真空低压乙炔渗碳高温渗碳,.,36,低压渗碳表面碳浓度,表面碳浓度与渗

13、碳时间的关系,.,37,低压渗碳+淬火工艺,700以平稳的逐步对流加热至930，减少变形；脉冲渗碳达到2103Pa丙烷，减少渗碳时间，使表面的深度、孔、不通孔及齿轮均匀化；扩散周期中表面碳含量减少；降低淬火温度减少变形；均匀化和奥氏体化；氮气压力为1.5106Pa高压气淬，减少变形；,.,38,14NiCr14钢的低压渗碳,渗碳扩散时间与渗碳深度、表面含碳量的关系,.,39,14NiCr14钢的低压渗碳,300kg批料（4.5m2）14NiCr14试样的硬度分布,.,40,15CrNi6低压渗碳层性能,曲轴的硬度分布,.,41,真空低压乙炔渗碳,Q:低压或真空渗碳主要的渗碳剂丙烷在温度高于60

14、0时易分解成碳、氢及甲烷，使零件表面产生炭黑及焦油。A:提高丙烷气体流速和产生脉动的丙烷气压有所改善，采用乙炔能获得较高碳势，渗碳层均匀，适宜复杂形状零件，消除炭黑及焦油的产生。,.,42,真空低压乙炔渗碳,9001000，P2103Pa条件下，分解：甲烷：CH4=CH4丙烷：C3H8=C+2CH4C3H8=C2H4+CH4C3H8=C2H2+H2+CH4=2C+CH4+2H2乙烯：C2H4=C+CH4乙炔：C2H2=2C+H2,.,43,真空低压乙炔渗碳,16MnCr5钢在不同气氛下低压渗碳后的碳浓度分布曲线,16MnCr5钢在不同气氛下低压渗碳后的碳流量,.,44,16MnCr5钢的低压乙炔渗碳,.,45,高温渗碳,对于能保证细晶粒稳定组织的渗碳温度和时间通过对渗碳钢进行奥氏体化退火处理来确定；20MnCr5、17CrNiMo6、20MoCr4及EX55等钢种，可以将渗碳温度提高到1000，无晶粒长大现象