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1、第十一章钢的化学热处理111.1 11.1 化学热处理概述化学热处理概述 机机械械零零件件的的失失效效和和破破坏坏，大大多多数数都都萌萌发发在在工工件件的的表表面面层层，特特别别在在可可能能引引起起磨磨损损、疲疲劳劳、金金属属腐腐蚀蚀、氧氧化化等等条条件件下下工工作作的的零零件件，其其表表面面层层的的性性能能就就显显得尤为重要。得尤为重要。化学热处理的概念化学热处理的概念钢钢的的化化学学热热处处理理：是是将将钢钢件件置置于于特特定定的的活活性性介介质质中中加加热热保保温温，使使一一种种或或几几种种元元素素渗渗入入钢钢件件表表层层，从从而而改改变变钢钢件件表表层层化化学学成成分分和和组组织织，达
2、达到到改改进进表表面性能，满足技术要求的热处理过程。面性能，满足技术要求的热处理过程。2经经化化学学热热处处理理后后的的钢钢件件，实实质质上上可可以以认认为为是是一一种种特殊复合材料。特殊复合材料。经化学热处理后的钢件经化学热处理后的钢件渗入了合金渗入了合金元素的材料元素的材料原始原始成分成分的钢的钢紧密的紧密的晶体型结合晶体型结合远远远远强强于于电电镀镀等等表表面面涂涂覆覆技技术术所所获获得得的的心心、表表部部之间的结合之间的结合3 化学热处理的目的化学热处理的目的在表面形成高硬层在表面形成高硬层在钢件表面形成减磨、抗粘结薄膜在钢件表面形成减磨、抗粘结薄膜在钢件表面同时形成高硬层与抗粘或减磨
3、薄膜在钢件表面同时形成高硬层与抗粘或减磨薄膜提高零件的耐磨性提高零件的耐磨性提高零件的疲劳强度提高零件的疲劳强度提高零件的抗蚀性提高零件的抗蚀性提高零件的抗高温氧化性提高零件的抗高温氧化性 提高零件的耐磨性提高零件的耐磨性目的有四目的有四4在表面形成在表面形成高硬层高硬层在表面形成减磨、在表面形成减磨、抗粘结薄膜抗粘结薄膜在表面同时形在表面同时形成高硬层与抗成高硬层与抗粘或减磨薄膜粘或减磨薄膜钢钢件件渗渗碳碳淬淬火火可可获获得得高高碳碳M硬硬化化表表层层；合合金金钢钢件件渗渗氮氮可可获获得得合合金金氮氮化化物物的的弥弥散硬化表层。散硬化表层。蒸蒸汽汽表表面面处处理理产产生生的的Fe3O4薄薄膜
4、膜有有抗抗粘粘结结的的作作用用，表表面面硫硫化化获获得得的的FeS薄薄膜膜可可兼兼有减磨与抗粘结的作用。有减磨与抗粘结的作用。近近年年来来发发展展起起来来的的多多元元共共渗渗工工艺艺，如如氧氧氮氮共共渗渗，硫硫氮氮共共渗渗，碳碳氮氮硫硫氧氧硼硼五五元元共渗等。共渗等。5化学热处理方法化学热处理方法表面硬化的优势表面硬化的优势提高表面硬度提高表面硬度时，仍能保持时，仍能保持心部处于较好心部处于较好的韧性状态的韧性状态化学热处理同化学热处理同时改变钢件表时改变钢件表层的化学成分层的化学成分与组织与组织如果渗入元如果渗入元素选择适当素选择适当能更好地解决能更好地解决钢件硬化与其钢件硬化与其韧性的矛盾
5、韧性的矛盾比表面淬火比表面淬火硬化方法的硬化方法的效果更好效果更好可获得适应零可获得适应零件多种性能要件多种性能要求的表面层求的表面层6渗渗碳碳、渗渗氮氮、软软氮氮化化和和碳碳氮氮共共渗渗等等方方法法，都都可可使使钢钢零零件件在在表表面面强强化化的的同同时时，在在零零件件表表面面形形成成残残余余压应力，有效地提高零件的疲劳强度。压应力，有效地提高零件的疲劳强度。提高零件的疲劳强度提高零件的疲劳强度钢钢件件渗渗铝铝、渗渗铬铬、渗渗硅硅后后，与与氧氧或或腐腐蚀蚀介介质质作作用用形形成成致致密密、稳稳定定的的AlAl2 2O O3 3、CrCr2 2O O3 3、SiOSiO2 2保保护护膜膜，提提
6、高抗蚀性及高温抗氧化性。高抗蚀性及高温抗氧化性。提高零件的抗蚀性提高零件的抗蚀性 提高零件的抗高温氧化性提高零件的抗高温氧化性例如渗氮可提高零件抗大气腐蚀性能例如渗氮可提高零件抗大气腐蚀性能7 化学热处理的分类化学热处理的分类目目前前工工业业上上广广泛泛使使用用的的化化学学热热处处理理方方法法，就就是是在在钢钢件表面渗入一种或多种元素，即渗入法。件表面渗入一种或多种元素，即渗入法。根根据据所所渗渗入入的的元元素素，可可以以将将化化学学热热处处理理分分为为渗渗碳碳、渗氮、渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。渗氮、渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。如如果果同同时时渗渗入入两两种种以以上上的的元元素素，则
7、则称称之之为为共共渗渗，如如碳氮共渗、铬硅铝共渗等。碳氮共渗、铬硅铝共渗等。钢钢中中渗渗入入的的元元素素，可可能能溶溶入入铁铁中中形形成成固固溶溶体体，也也可可能能与与铁铁形形成成某某种种化化合合物物，总总之之渗渗入入的的元元素素与与基基体体金金属之间具有相互作用。属之间具有相互作用。89目目前前生生产产中中最最常常用用的的化化学学热热处处理理是是渗渗碳碳、渗渗氮氮、碳碳氮共渗、渗硼和渗铝等。氮共渗、渗硼和渗铝等。化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程渗入法化学热处理的渗入法化学热处理的基本过程基本过程分解分解吸收吸收扩散扩散钢件周围的介钢件周围的介质分解，以形质分解，以形成渗入元素的成渗入
8、元素的活性原子活性原子活性原子被钢件吸活性原子被钢件吸收，其先决条件是收，其先决条件是活性原子能够溶解活性原子能够溶解于钢件表层金属中于钢件表层金属中渗入原子在基体金属渗入原子在基体金属中的扩散，是化学热中的扩散，是化学热处理得以进行和获得处理得以进行和获得一定深度渗层的保证一定深度渗层的保证1011.2 11.2 钢的渗碳钢的渗碳 渗渗碳碳：就就是是将将钢钢件件置置于于具具有有足足够够碳碳势势的的介介质质中中加加热热到到奥奥氏氏体体状状态态并并保保温温，使使其其表表层层形形成成一一个个富富碳碳层层的的热处理工艺。热处理工艺。渗碳渗碳种类种类最常用最常用常用常用气体渗碳气体渗碳固体渗碳固体渗碳
9、液体渗碳液体渗碳碳势可控碳势可控生产效率高生产效率高劳动条件好劳动条件好便于直接淬火等便于直接淬火等11渗渗碳碳用用钢钢：为为低低碳碳钢钢及及低低碳碳合合金金钢钢，如如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。等。渗碳的目的渗碳的目的提高零件表层的含碳量提高零件表层的含碳量提高表层硬度，增强提高表层硬度，增强零件的抗磨损能力零件的抗磨损能力同时保持心部的同时保持心部的良好韧性良好韧性主要用于那些对表面有较高耐磨性要主要用于那些对表面有较高耐磨性要求、并承受较大冲击载荷的零件求、并承受较大冲击载荷的零件12气气氛氛的的主主要要组组成成物物都都是是CO、CO2、CH
10、4、H2和和H2O等等5种气体；种气体；其中其中CO和和CH4起渗碳作用，其余的起脱碳作用。起渗碳作用，其余的起脱碳作用。渗碳原理渗碳原理 渗碳介质的分解渗碳介质的分解工业气体渗碳方法的主要类型工业气体渗碳方法的主要类型在炉中产生所需要的渗碳气氛在炉中产生所需要的渗碳气氛可控气氛可控气氛碳氢化合物气体碳氢化合物气体含碳的有机液体含碳的有机液体13在渗碳炉中，与渗碳有关的最主要反应有如下四个在渗碳炉中，与渗碳有关的最主要反应有如下四个在在所所供供应应的的原原料料气气氛氛组组成成稳稳定定的的情情况况下下，只只要要控控制制气气氛氛中中微微量量的的 CO2、H2O、CH4或或O2中中的的任任何何一一个
11、个的的含含量量，就就可可达达到到控控制制渗碳炉中碳势的目的渗碳炉中碳势的目的.14通通常常，生生产产中中多多采采用用露露点点仪仪来来控控制制气气氛氛中中的的H2O含量；含量；因因为为气气氛氛的的露露点点与与气气氛氛中中的的含含水水量量具具有有很很好好的的对对应应关关系系，即即含含水水量量越越高高、露露点点就就越高；越高；15生生产产中中或或者者采采用用红红外外线线仪仪来来控控制制CO2的含量；的含量；16或者采用氧探头来控制气氛中或者采用氧探头来控制气氛中O2含量。含量。无无论论采采用用上上述述哪哪种种方方法法，都都可可以以达达到到控控制制渗渗碳碳炉炉中中渗碳气氛碳势的目的。渗碳气氛碳势的目的
12、。在在实实际际生生产产中中，渗渗碳碳时时间间往往往往比比较较短短，必必须须根根据据气气氛氛种种类类、表表面面碳碳含含量量要要求求、渗渗碳碳温温度度和和渗渗碳碳时时间间等等因因素素确确定定出出一一个个在在不不平平衡衡情情况况下下的的合合适适碳碳势势，才才能能真正保证渗碳工件所需的表面含碳量；真正保证渗碳工件所需的表面含碳量；同时还需采用多参数控制法来减少碳势控制的误差。同时还需采用多参数控制法来减少碳势控制的误差。17工件表面必须清洁；工件表面必须清洁；炉炉气气需需要要具具有有良良好好的的循循环环：活活性性碳碳原原子子被被吸吸收收后后，剩剩下下的的CO2、H2或或H2O等等脱脱碳碳气气氛氛需需要
13、被及时排出；要被及时排出；控控制制好好分分解解和和吸吸收收两两个个阶阶段段的的速速度度，使使之之恰恰当当配配合合：如如果果分分解解速速度度大大于于吸吸收收速速度度，将将在在工件表面形成积碳，从而影响吸收速度。工件表面形成积碳，从而影响吸收速度。碳原子的吸收碳原子的吸收要要使使反反应应生生成成的的活活性性碳碳原原子子被被钢钢件件表表面面吸吸收收，必必须满足以下条件：须满足以下条件：18碳碳原原子子由由表表面面向向心心部部的的扩扩散散，是是渗渗碳碳得得以以进进行行并并获获得一定深度渗层的条件。得一定深度渗层的条件。扩散的驱动力是工件表面与心部的碳浓度梯度。扩散的驱动力是工件表面与心部的碳浓度梯度。
14、碳碳在在铁铁中中形形成成的的是是间间隙隙式式固固溶溶体体，其其扩扩散散系系数数比比形形成成置置换换式式固固溶溶体体的的合合金金元元素素要要大大很很多多。碳碳在在-Fe中中的扩散系数为的扩散系数为:可见，温度和碳浓度都影响碳的扩散系数。可见，温度和碳浓度都影响碳的扩散系数。碳原子的扩散碳原子的扩散19间间隙隙原原子子的的扩扩散散服服从从Fick第第二二定定律律，由由该该定定律律可可以以有下面一个关系式：有下面一个关系式：因因此此，此此式式也也就就成成为为根根据据渗渗碳碳温温度度和和渗渗层层深深度度来来确确定渗碳时间的依据。定渗碳时间的依据。式中，式中，d渗碳层的深度渗碳层的深度 渗渗层层深深度度
15、因因子子，与与渗渗碳碳温温度度具具有有一定的关系一定的关系 t扩散进行的时间扩散进行的时间20主主要要是是通通过过对对碳碳的的扩扩散散系系数数和和渗渗层层表表面面碳碳浓浓度度的的影影响响来来实实现现的的。通通常常地地，Mn、Cr、Mo能能略略微微增增加加渗渗层的深度，而层的深度，而W、Ni、Si等则减小渗层的深度。等则减小渗层的深度。钢中合金元素对渗碳过程的影响钢中合金元素对渗碳过程的影响凡凡是是碳碳化化物物形形成成元元素素如如Ti、Cr、Mo、W及及含含量量大大于于1的的V、Nb等，都增加渗层表面碳浓度；等，都增加渗层表面碳浓度；凡凡是是非非碳碳化化物物形形成成元元素素如如Si、Ni、Al等
16、等，都都降降低低渗渗层表面碳浓度。层表面碳浓度。对表面碳浓度的影响对表面碳浓度的影响 对渗层深度的影响对渗层深度的影响21 渗碳工艺参数渗碳工艺参数渗碳前渗碳前渗碳中渗碳中渗碳后渗碳后除去表面油污、锈斑或其它脏物；除去表面油污、锈斑或其它脏物；对不需要渗碳的局部加以防护；对不需要渗碳的局部加以防护；零件在料盘内必须均匀放置。零件在料盘内必须均匀放置。控控制制气气氛氛的的碳碳势势、温温度度和和时时间间，以以保保证证技技术术条条件件规规定定的的表表面面碳碳含含量量、渗层深度和较平缓的碳浓度梯度。渗层深度和较平缓的碳浓度梯度。根根据据炉炉型型选选取取适适当当的的热热处处理理方方式式进进行热处理，以获
17、得预期的性能。行热处理，以获得预期的性能。22渗碳工艺参数渗碳工艺参数气氛的碳势气氛的碳势渗碳的温度渗碳的温度渗碳的时间渗碳的时间23从从统统计计资资料料看看，一一般般渗渗碳碳件件的的表表面面碳碳含含量量可可在在0.61.1之间变化。之间变化。气氛碳势的选择与控制气氛碳势的选择与控制确定最佳表面含碳量的依据确定最佳表面含碳量的依据首先是获得最高首先是获得最高的表面硬度的表面硬度其次是渗碳层具其次是渗碳层具有最高的耐磨性有最高的耐磨性和抗磨损疲劳性和抗磨损疲劳性能能与钢的成分与钢的成分密切相关密切相关渗碳层中具有适量渗碳层中具有适量的碳化物存在的碳化物存在24渗渗碳碳零零件件表表面面碳碳含含量量
18、低低，淬淬火火后后低低温温回回火火所所得得到到的的硬度低，耐磨性差；硬度低，耐磨性差；零零件件表表面面含含碳碳量量过过高高，渗渗碳碳层层出出现现大大量量块块状状或或网网状状的的碳碳化化物物，使使脆脆性性增增加加，易易在在承承受受冲冲击击负负荷荷时时剥剥落落;因因此此，表表面面层层含含碳碳量量最最好好在在0.851.05范围内。范围内。25渗渗碳碳温温度度是是渗渗碳碳工工艺艺中中最最重重要要的的一一个个因因素素，它它影影响响着着分分解解反反应应的的平平衡衡、碳碳的的扩扩散散、还还影影响响着着钢钢中中的组织转变。的组织转变。由由于于奥奥氏氏体体的的溶溶碳碳能能力力较较大大，因因此此渗渗碳碳温温度度
19、必必须须高于高于Ac3温度。温度。渗碳温度渗碳温度渗渗碳碳温温度度常常用用920940，温温度度愈愈高高，渗渗速速愈愈快快，渗层愈深。渗层愈深。但但温温度度过过高高会会引引起起奥奥氏氏体体晶晶粒粒长长大大，降降低低零零件件的的力学性能，增加零件畸变，降低设备使用寿命。力学性能，增加零件畸变，降低设备使用寿命。26如如0.30.6mm，可选为，可选为88010；0.60.8mm，可选用，可选用90010；0.81.2mm或以上，选用或以上，选用92010。通常渗碳的温度的选择视要求的渗层深度确定：通常渗碳的温度的选择视要求的渗层深度确定：有有的的要要求求深深层层渗渗碳碳或或缩缩短短渗渗碳碳周周期
20、期，可可采采用用10301050；但但必必需需采采用用细细晶晶粒粒钢钢、高高温温渗渗碳碳钢钢、或或渗渗碳碳后后再再经循环热处理细化晶粒。经循环热处理细化晶粒。27式中，式中，t时间时间(h)T温度温度(K)对几种常用渗碳温度的层深计算公式可简化为：对几种常用渗碳温度的层深计算公式可简化为：一般地，由于扩散缓慢，渗碳时间不需精确控制。一般地，由于扩散缓慢，渗碳时间不需精确控制。渗渗层层深深度度和和渗渗碳碳温温度度确确定定后后，所所需需的的渗渗碳碳时时间间可可根据根据Harris公式进行近似计算。公式进行近似计算。渗碳时间渗碳时间2829 工艺参数的综合选择工艺参数的综合选择由由于于各各参参数数间
21、间相相互互影影响响较较大大，同同时时为为了了缩缩短短渗渗碳碳的总时间，通常对各参数进行综合调节：的总时间，通常对各参数进行综合调节：升温阶段升温阶段高速渗碳阶段高速渗碳阶段扩散阶段扩散阶段预冷阶段预冷阶段采用低碳势采用低碳势在在正正常常温温度度或或更更高高温温度度下下采采用用高高于于所需表面碳含量的碳势，时间较长所需表面碳含量的碳势，时间较长在在正正常常渗渗碳碳温温度度下下采采用用与与所所需需表表面面碳含量相等的碳势，时间较短碳含量相等的碳势，时间较短使使温温度度降降到到淬淬火火温温度度，便便于于直直接接淬淬火处理。火处理。30 固体渗碳和液体渗碳简介固体渗碳和液体渗碳简介固固体体渗渗碳碳是是
22、将将工工件件和和固固体体渗渗碳碳剂剂装装入入渗渗碳碳箱箱中中，用用盖盖子子和和耐耐火火泥泥封封好好，然然后后放放在在炉炉中中加加热热至至900900950 950，保保温温足足够够长长时时间间，得得到一定厚度的渗碳层。到一定厚度的渗碳层。固体渗碳固体渗碳固固体体渗渗碳碳剂剂通通常常是是一一定定粒粒度度的的木木炭炭与与10%10%左左右右的的碳碳酸酸盐盐（BaCOBaCO3 3或或NaNa2 2COCO3 3）的的混混合合物物。木木炭炭提提供供渗渗碳碳所所需需要要 的的 活活 性性 碳碳 原原 子子，碳碳 酸酸 盐盐 起起 催催 化化 作作 用用。31而而加加入入的的催催渗渗剂剂在在高高温温下下
23、会会发发生生分分解解，放放出出的的CO2与与木木炭炭发发生生反反应应生生成成大大量量的的CO，CO在在钢钢件件表表面面分分解，从而提供活性碳原子。解，从而提供活性碳原子。因因渗渗碳碳箱箱中中的的氧氧气气是是有有限限的的，因因此此通通过过2C+O2C+O2 22CO2CO来来获获得得CO的的量量是是有有限限的的。32固体渗碳的优缺点固体渗碳的优缺点适用于各种零件，尤其是小批量生产适用于各种零件，尤其是小批量生产可使用各种普通加热炉，设备费用低可使用各种普通加热炉，设备费用低渗后慢冷，工件硬度低，利于切削加工渗后慢冷，工件硬度低，利于切削加工不适于浅渗碳层零件生产；不适于浅渗碳层零件生产；表面碳含
24、量很难精确控制；表面碳含量很难精确控制；渗碳后不能直接淬火；渗碳后不能直接淬火；渗碳时间长，劳动条件差。渗碳时间长，劳动条件差。优点优点缺点缺点33 液体渗碳液体渗碳液体渗碳就是在液体介质中进行的渗碳。液体渗碳就是在液体介质中进行的渗碳。有氰化物的盐浴有氰化物的盐浴无氰化物的盐浴无氰化物的盐浴在无氰化物的盐浴中，渗碳的反应如下：在无氰化物的盐浴中，渗碳的反应如下：加加热热介介质质为为NaCl和和KCl，催催渗渗剂剂为为Na2CO3，供碳介质为尿素和木炭粉，供碳介质为尿素和木炭粉34由液体渗碳的以上反应可以看出：由液体渗碳的以上反应可以看出：渗碳反应仍然是钢件表面的气相反应；渗碳反应仍然是钢件表
25、面的气相反应；原原材材料料虽虽然然无无毒毒，但但反反应应的的结结果果仍仍然然使使盐盐浴浴中中含含有约有约0.5的的NaCN；盐浴还具有一定的渗氮功能。盐浴还具有一定的渗氮功能。加热速度快加热速度快生产效率高生产效率高加热均匀加热均匀便于直接淬火便于直接淬火易腐蚀工件易腐蚀工件碳碳势势调调整整幅幅度度小小且且不易控制不易控制劳动条件差等等劳动条件差等等优优点点缺缺点点35渗渗碳碳层层的的组组织织过共析组织过共析组织(P+Fe(P+Fe3 3C C)共析组织共析组织(P)(P)过渡区亚共析组织过渡区亚共析组织(P+F)(P+F)原始亚共析组织原始亚共析组织(F+P)(F+P)上上述述组组织织显显然
26、然不不能能满满足足要要求求。渗渗碳碳后后必必须须进进行行热热处处理理，即即进进行淬火和回火，对某些钢种还包括冷处理。行淬火和回火，对某些钢种还包括冷处理。渗碳后的热处理渗碳后的热处理36工件渗碳后热处理的目的工件渗碳后热处理的目的提高渗层表面提高渗层表面的强度、硬度的强度、硬度和耐磨性和耐磨性消除网状消除网状渗碳体和渗碳体和减少残减少残A提高心部提高心部的强度和的强度和韧性韧性细化细化晶粒晶粒 渗碳后的淬火渗碳后的淬火37原则上：过共析层的淬火温度应低于原则上：过共析层的淬火温度应低于Accm 亚共析层的淬火温度应高于亚共析层的淬火温度应高于Ac3渗碳零件的淬火温度选择渗碳零件的淬火温度选择如
27、如果果Accm Ac3，就就很很容容易易选选择择一一个个淬淬火火温温度度来来同同时时满足这两者的要求；满足这两者的要求；如如果果Accm Ac3，则则很很难难两两者者同同时时兼兼顾顾，在在这这种种情情况况下下，要要根根据据对对零零件件的的主主要要技技术术要要求求、钢钢件件心心部部能能否否淬淬透透、渗渗碳碳后后零零件件的的表表面面碳碳含含量量和和所所采采用用的的淬淬火方法等，综合考虑而加以确定。火方法等，综合考虑而加以确定。要兼顾高碳的渗层和低碳的心部两方面的要求。要兼顾高碳的渗层和低碳的心部两方面的要求。38 直接淬火法直接淬火法直直接接淬淬火火：是是指指工工件件渗渗碳碳后后，随随炉炉降降温温
28、或或出出炉炉预预冷到冷到760860后，直接淬火的热处理工艺。后，直接淬火的热处理工艺。随炉降温或出炉预冷的目的随炉降温或出炉预冷的目的预冷的温度要根据零件的要求和钢的预冷的温度要根据零件的要求和钢的Ar1而定。而定。减少淬火减少淬火内应力与内应力与变形变形使高碳使高碳A析出一部分析出一部分K，降低，降低A中的碳浓度，从而减少淬火后中的碳浓度，从而减少淬火后残残A量，获得较高的表面硬度量，获得较高的表面硬度39减减少少加加热热和和冷冷却却的的次次数数，提提高高生生产产效效率率，降降低低能能耗耗及及生生产产成成本本，还还可可减减少少零零件件变变形形及及表表面面的的氧氧化化和脱碳。和脱碳。直接淬火
29、的优点：直接淬火的优点：适适用用于于本本质质细细晶晶粒粒钢钢制制作作的的零零件件，不不适适用用于于本本质质粗晶粒钢制作的零件。粗晶粒钢制作的零件。另另外外，如如果果渗渗碳碳后后表表面面碳碳浓浓度度很很高高，则则同同样样不不适适宜宜于于采采用用直直接接淬淬火火，因因为为预预冷冷时时碳碳化化物物一一般般沿沿奥奥氏体晶界呈网状析出，使脆性增大。氏体晶界呈网状析出，使脆性增大。直接淬火适用范围：直接淬火适用范围：40 重新加热淬火重新加热淬火工工件件在在渗渗碳碳后后冷冷却却到到A完完全全转转变变，可可能能转转变变成成P或或M等等组组织织。接接着着重重新新将将它它加加热热到到所所希希望望的的淬淬火火温温
30、度度，然后淬火，这种方法可以得到晶粒较细的组织。然后淬火，这种方法可以得到晶粒较细的组织。41此此外外，也也可可以以在在二二次次加加热热淬淬火火中中间间安安排排一一次次回回火火，在最后淬火加热之前可以进行一些切削加工；在最后淬火加热之前可以进行一些切削加工；为为了了避避免免重重复复加加热热引引起起太太大大的的变变形形，对对于于形形状状易易于于变形的工件，可规定进行一次或几次预热。变形的工件，可规定进行一次或几次预热。42二二次次加加热热淬淬火火对对于于高高温温（9801050）渗渗碳碳工工件件是必不可少的。是必不可少的。因因为为高高温温渗渗碳碳后后奥奥氏氏体体晶晶粒粒粗粗大大，故故第第一一次次
31、淬淬火火温温度度通通常常高高于于心心部部的的Ac3，而而第第二二次次淬淬火火温温度度在在渗渗层的层的Ac1Accm之间。之间。经经过过二二次次淬淬火火后后，奥奥氏氏体体晶晶粒粒可可以以得得到到充充分分细细化化，表表层层碳碳化化物物可可变变成成粒粒状状，残残余余奥奥氏氏体体量量减减少少，疲疲劳强度显著提高。劳强度显著提高。但但二二次次加加热热淬淬火火的的成成本本高高、周周期期长长、易易脱脱碳碳变变形形，故极少采用。故极少采用。43渗渗碳碳零零件件在在淬淬火火后后，紧紧接接着着于于150250之之间间进进行回火处理。行回火处理。对于非合金钢，回火温度一般为对于非合金钢，回火温度一般为150l80；
32、对于合金钢，回火温度一般为对于合金钢，回火温度一般为160200。经经过过这这种种回回火火处处理理，可可降降低低组组织织应应力力，并并且且在在最最外外层层保保持持有有利利的的压压应应力力；此此外外，回回火火改改善善了了渗渗碳碳淬火零件的可磨削性，降低了磨削裂纹敏感性。淬火零件的可磨削性，降低了磨削裂纹敏感性。在在150250之之间间回回火火，硬硬度度的的最最多多降降低低5HRC，大多降低大多降低13 HRC。回火回火44 冷处理冷处理目目的的在在于于减减少少或或消消除除残残A，从从而而适适当当提提高高渗碳层的硬度。渗碳层的硬度。冷冷处处理理既既提提高高了了生生产产成成本本，又又增增加加了了生生
33、产产工工序序，目目前前除除特特殊殊渗渗碳碳工工件件外外，一一般般都都很很少少采采用用这这道道冷冷处处理理工工序。序。45 渗碳层深度的测量渗碳层深度的测量目目前前渗渗层层深深度度的的测测量量方方法法有有：化化学学分分析析法法、硬硬度度测测量量法法和和金金相相法法等等，其其中中硬硬度度法法是是目目前前应应用用最最广广泛的一种标准方法。泛的一种标准方法。渗碳层深度是渗碳零件的主要技术要求之一。渗碳层深度是渗碳零件的主要技术要求之一。渗层深度的两种定义渗层深度的两种定义全渗层深度全渗层深度有效渗层深度有效渗层深度渗层的表面到渗渗层的表面到渗层刚到达心部时层刚到达心部时的垂直距离的垂直距离零件经渗碳淬
34、火后由表零件经渗碳淬火后由表面至硬度为面至硬度为HV550或或HRC50的最远点的距离的最远点的距离4647 渗碳热处理的常见缺陷渗碳热处理的常见缺陷常见常见缺陷缺陷表面硬度表面硬度偏低偏低渗层深度渗层深度不够或不均匀不够或不均匀零件变形零件变形超差超差心部硬度心部硬度过高过高金相组织金相组织不合格不合格渗碳层出渗碳层出现内氧化现内氧化48渗碳层出现内氧化渗碳层出现内氧化49 渗碳后钢的机械性能渗碳后钢的机械性能 硬度和耐磨性硬度和耐磨性钢件的表面硬度和耐磨性可显著提高。钢件的表面硬度和耐磨性可显著提高。冲击韧性和断裂韧性冲击韧性和断裂韧性钢钢件件的的冲冲击击韧韧性性和和断断裂裂韧韧性性都都降
35、降低低，并并且且表表面面碳碳含量越高、渗层越深，这两种性能降低越厉害。含量越高、渗层越深，这两种性能降低越厉害。50 疲劳强度疲劳强度表表面面碳碳含含量量越越高高，Ms点点越越低低，表表面面M的的量量小小于于表表层层内内部部M的的量量，在在表表面面层层得得到到的的残残余余压压应应力力越越大大，它它可可以以抵抵消消相相当当部部分分由由外外加加负负载载引引起起的的拉应力，从而提高疲劳强度；拉应力，从而提高疲劳强度；一一定定层层深深的的高高硬硬度度渗渗碳碳层层，可可以以提提高高抵抵抗抗微微裂裂纹纹的的形形成成和和扩扩展展，从从而而提提高高疲劳强度。疲劳强度。钢件经渗碳后，其疲劳强度显著提高：钢件经渗
36、碳后，其疲劳强度显著提高：5111.3 11.3 钢的渗氮钢的渗氮 渗渗氮氮工工艺艺又又叫叫氮氮化化。它它是是将将氮氮渗渗入入钢钢件件表表面面，以以提提高高其其硬硬度度、耐耐磨磨性性、疲疲劳劳强强度度和和抗抗蚀蚀性性的的一一种种化学处理方法。化学处理方法。氮化的特点和分类氮化的特点和分类 渗氮的特点渗氮的特点渗渗氮氮件件的的表表面面硬硬度度可可高高达达HRC70HRC70左左右右，并并可可保保持持到到500500左左右右而而不不降降低低，而而渗渗碳碳层层淬淬火火后后其其硬硬度度在在HRC60HRC606262左左右右并并在在200以以上上就就急急剧剧下下降降。由由于于渗渗氮氮层层硬硬度度高高，
37、其其耐耐磨磨性也较高。性也较高。高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性52由由于于渗渗氮氮后后表表面面形形成成的的氮氮化化物物薄薄膜膜，化化学学稳稳定定性性高高而而且且致密。致密。高的疲劳强度高的疲劳强度氮氮化化层层内内的的残残余余压压应应力力比比渗渗碳碳层层大大，故故氮氮化化后后可可获获得得较较高的疲劳强度。高的疲劳强度。渗氮件的变形很小且规律性强渗氮件的变形很小且规律性强因为氮化后钢件不需其他任何热处理。因为氮化后钢件不需其他任何热处理。良好的抗咬卡性能良好的抗咬卡性能由于氮化层的高硬度和高温硬度。由于氮化层的高硬度和高温硬度。良好的耐腐蚀性能良好的耐腐蚀性能53例例如如：38CrMoAl38C
38、rMoAl钢钢制制压压缩缩机机活活塞塞杆杆为为获获得得0.40.40.6mm0.6mm的渗氮层深度，气体渗氮保温时间需的渗氮层深度，气体渗氮保温时间需60h60h左右。左右。处理时间长处理时间长生产成本高生产成本高氮化层较薄（氮化层较薄（0.30.6mm）氮化层脆性较大氮化层脆性较大氮化的主要缺点氮化的主要缺点54 渗氮的分类渗氮的分类氮化氮化普通氮化普通氮化离子氮化离子氮化固体氮化固体氮化液体氮化液体氮化气体氮化气体氮化 Fe-N Fe-N相图和纯铁相图和纯铁氮化层的组织氮化层的组织两个共析反应：两个共析反应：55相图中的各个相：相图中的各个相：N在在-Fe的固溶体的固溶体：N在在-Fe的固
39、溶体的固溶体：N在在Fe4N的固溶体的固溶体：N N含量很宽的化合物含量很宽的化合物：N在在Fe2N的固溶体的固溶体5657 气体氮化原理气体氮化原理无水氨气；无水氨气；或氨气氢气；或氨气氢气；或氨气氮气；或氨气氮气；氨气的分解氨气的分解氮原子的吸收氮原子的吸收氮原子的扩散氮原子的扩散整个氮化过程分为三个阶段整个氮化过程分为三个阶段气体氮化时一般使用气体氮化时一般使用58 氨气的分解氨气的分解纯铁氮化时表面形成相与纯铁氮化时表面形成相与(NH3+H2)混合气平衡的条件混合气平衡的条件59 氮原子的吸收氮原子的吸收活活性性氮氮原原子子只只有有一一部部分分能能立立即即被被钢钢件件表表面面吸吸收收，
40、而而多数活性氮原子则很快相互结合成氮分子而逸出。多数活性氮原子则很快相互结合成氮分子而逸出。60 氮原子的扩散氮原子的扩散在在气气体体氮氮化化时时，由由于于气气氛氛中中的的氮氮势势很很容容易易超超过过生生成成化化合合物物所所需需要要的的氮氮量量，因因此此在在钢钢件件表表面面极极易易生生成成一一层层化化合合物物，此此时时氮氮原原子子将将溶溶于于化化合合物物层层中并不断向内扩散。中并不断向内扩散。61氮在铁中的扩散系数可用下式表示氮在铁中的扩散系数可用下式表示由由于于N原原子子半半径径比比C原原子子小小，因因而而N原原子子的的扩扩散系数比散系数比C大。大。与与渗渗碳碳类类似似，氮氮化化层层的的深深
41、度度也也随随时时间间呈呈抛抛物线关系增加。物线关系增加。62 合金元素的影响和氮化强化机理合金元素的影响和氮化强化机理氮化物形成元素和氮化物形成元素和Al对氮化的影响最显著。对氮化的影响最显著。合合金金元元素素一一般般都都减减少少氮氮化化层层的的深深度度，其其中中尤尤以以Ti、Al最为显著，最为显著，Cr次之。次之。钢钢中中碳碳也也会会降降低低氮氮化化层层的的深深度度，可可能能是是由由于于由由于于钢钢中中形形成成碳碳化化物物而而阻阻碍碍了了氮氮原原子子的的扩散所致。扩散所致。63合金元素对氮化层的硬度的影响更为显著。合金元素对氮化层的硬度的影响更为显著。其其中中尤尤以以Al、Ti最最为为显显著
42、著，Cr、Mo次次之之，Ni由由于于不形成氮化物，对硬度几乎没有什么影响。不形成氮化物，对硬度几乎没有什么影响。但但由由于于Ti在在钢钢中中将将首首先先形形成成极极稳稳定定的的碳碳化化物物，而而对对氮氮化化层层的的硬硬度贡献很小。度贡献很小。因因此此，工工业业用用氮氮化化钢钢大大 都都 含含 有有 Al、Cr、Mo，而不含，而不含Ti。64Al、Cr、Mo等等合合金金之之所所以以能能显显著著提提高高钢钢的的氮氮化化层层硬硬度度，是是因因为为氮氮原原子子在在向向心心部部扩扩散散时时，在在氮氮化化层中依次发生：层中依次发生：氮和合金元素的偏聚，形成所谓的氮和合金元素的偏聚，形成所谓的G-P区；区；
43、-Fe16N2型过渡氮化物的析出等。型过渡氮化物的析出等。这这些些共共格格的的偏偏聚聚区区和和过过渡渡氮氮化化物物的的析析出出，会会引引起起硬硬度度的的强强烈烈增增高高。上上述述过过程程与与淬淬火火时时效效的的过过程程几乎一样。几乎一样。65 氮化前的热处理氮化前的热处理氮氮化化零零件件的的心心部部性性能能，由由氮氮化化前前的的热热处处理理决决定定，因此，氮化前的热处理非常重要。因此，氮化前的热处理非常重要。时效强化时效强化M相变强化相变强化氮化后氮化后不需热处理不需热处理渗碳后渗碳后必须淬火必须淬火同时也改变同时也改变心部的性能心部的性能强化机理不同强化机理不同氮化氮化渗碳渗碳66淬火温度：
44、由钢的淬火温度：由钢的Ac3决定；决定；淬火介质：由钢的淬透性决定；淬火介质：由钢的淬透性决定；回回火火温温度度：由由心心部部的的硬硬度度要要求求和和对对氮氮化化层层硬硬度度的的影响决定。影响决定。调质处理调质处理淬火淬火回火回火氮化前的热处理一般都是：调质处理氮化前的热处理一般都是：调质处理一一般般情情况况下下，为为了了保保证证心心部部组组织织的的稳稳定定性性，避避免免氮氮化化时时心心部部性性能能发发生生变变化化，通通常常都都使使氮氮化化前前的的回回火温度比氮化温度高火温度比氮化温度高50左右。左右。67氮化前的回火温度对氮化后的硬度梯度的影响氮化前的回火温度对氮化后的硬度梯度的影响（a）0
45、.32C-3.0Cr-0.4Mo钢在钢在510氮化氮化60h；（b）2.10C-12.0Cr-0.7W钢在钢在510氮化氮化10h。一一般般地地，回回火火温温度度低低，不不仅仅心心部部硬硬度度高高，且且氮氮化化层层硬度也较高，因而有效渗层的深度也会有所提高。硬度也较高，因而有效渗层的深度也会有所提高。68 气体氮化工艺气体氮化工艺氮化温度影响着氮化层的深度和硬度；氮化温度影响着氮化层的深度和硬度；氮化时间则主要影响层深。氮化时间则主要影响层深。正确制订氮化工艺，关键在于选择好三个参数：正确制订氮化工艺，关键在于选择好三个参数：氮化温度和时间的选择氮化温度和时间的选择氮化温度氮化温度氮化时间氮化
46、时间气氛氮势气氛氮势6960h7071氮氮化化前前零零件件的的回回火火温温度度，使使氮氮化化温温度度低低于于回回火火温度温度50左右；左右；氮氮化化层层深深的的要要求求，氮氮化化层层要要求求较较深深，氮氮化化温温度度应高一些；应高一些；金金相相组组织织的的要要求求，氮氮化化温温度度越越高高，越越容容易易出出现现白层白层(-Fe2N1-x+-Fe4N)和网状氮化物。和网状氮化物。氮氮化化温温度度的的选选择择：主主要要根根据据对对零零件件表表面面硬硬度度的的要要求而定，要求硬度高者，氮化温度应适当降低。求而定，要求硬度高者，氮化温度应适当降低。在此前提下，还要考虑：在此前提下，还要考虑：氮化时间的
47、选择：氮化时间的选择：主要依据氮化的层深而定。主要依据氮化的层深而定。72也也可可以以采采取取525+540的的两两段段氮氮化化法法，还还可可以以采采用低温用低温-高温高温-低温、或低温低温、或低温-高温高温-高温等工艺。高温等工艺。为为了了加加快快氮氮化化速速度度并并保保证证硬硬度度要要求求，目目前前已已经经发发展展了各种分阶段氮化方法。了各种分阶段氮化方法。例例如如：常常用用的的氮氮化化钢钢38CrMoAlA制制成成的的气气缸缸筒筒，要要求求渗渗层层深深0.50.8mm、硬度、硬度HRA80时，可采用以下工艺时，可采用以下工艺:第第一一阶阶段段：低低温温(5105、50h)高高氮氮势势，加
48、加大大扩扩散驱动力；散驱动力；第第二二阶阶段段：高高温温(5505、50h)低低氮氮势势，加加快快扩扩散散和调整表面氮含量。和调整表面氮含量。73对对于于不不锈锈钢钢等等高高合合金金钢钢的的氮氮化化，由由于于N原原子子在在这这类类钢钢中中的的扩扩散散比比较较困困难难，往往往往不不容容易易得得到到较较深深的的渗渗层层，因因此此，一一般般都都采采用用较较高高的的氮氮化化温温度度（550560），以提高氮化速度。），以提高氮化速度。气氛氮势的选择气氛氮势的选择氮化气氛氮化气氛氮势控制方法氮势控制方法传传统统的的不不控控制制氮氮势势而而控控制制氨气的分解率氨气的分解率利利用用红红外外线线氮氮气气分分析
49、析仪仪，对对排排放放气气体体中中的的NH3量量进进行分析而控制气氛氮势行分析而控制气氛氮势74 氮化零件的检验和常见的缺陷氮化零件的检验和常见的缺陷表表面面硬硬度度的的检检验验：氮氮化化层层一一般般较较薄薄，要要注注意意载载荷荷的的选选择择以以防防止止压压穿穿，通通常常选选用用HV10(kg)或或表表面面洛洛氏氏硬硬度度HR N15(Kg)。如如果果表表面面硬硬度度偏偏低低，可可能能是是表表面面氮氮浓浓度度不不足足或或渗渗前前处理的回火温度过高所致。处理的回火温度过高所致。表面硬度表面硬度渗层深度渗层深度心部硬度心部硬度金相组织金相组织变形量等变形量等对氮化零件的技术要求包括对氮化零件的技术要
50、求包括表面硬度表面硬度75渗层深度的检验：仍然以硬度法最为精准。渗层深度的检验：仍然以硬度法最为精准。有有效效渗渗层层深深度度：有有的的以以硬硬度度HRC50（HV550）的的层深为准，有的以层深为准，有的以HV400为界。为界。渗层深度渗层深度心部硬度心部硬度心部硬度的检验：硬度法。心部硬度的检验：硬度法。心部硬度超差，则往往是回火温度选取不当所致。心部硬度超差，则往往是回火温度选取不当所致。76产产生生金金相相组组织织不不合合格格的的原原因因：主主要要是是气气氛氛氮氮势势过过高高、氮氮化化温温度度过过高高、氮氮化化前前处处理理时时发发生生表表面面脱脱碳碳或晶粒细化不够等。或晶粒细化不够等。