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1、第八章第八章钢的化学热处理钢的化学热处理1化学热处理原理定义化学热处理原理定义将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能的一种热处理工艺。分、组织和性能的一种热处理工艺。活性原子从工件表层向内部的扩散活性原子从工件表层向内部的扩散原理原理:渗剂分解出活性原子渗剂分解出活性原子工件表面吸收活性原子工件表面吸收活性原子2适用钢种：适用钢种：WC0.100.25低碳钢、低碳合金钢低碳钢、低碳合金钢一、钢的渗碳一、钢的渗碳目目的的：使使钢钢件件表表层层获获得得高高
2、的的硬硬度度、耐耐磨磨性性和和疲疲劳劳强强 度，而心部仍保持一定的强度和较高的韧性。度，而心部仍保持一定的强度和较高的韧性。（一）气体渗碳（一）气体渗碳1.常用渗碳设备常用渗碳设备按按热源热源分为分为电加热炉电加热炉和和煤气加热炉煤气加热炉。定定义义：将将钢钢件件置置于于渗渗碳碳介介质质中中加加热热、保保温温，使使活活性性 碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。滚筒炉滚筒炉卧式卧式井式井式振底式振底式输送带式输送带式旋转罐式旋转罐式推杆式推杆式连续式炉连续式炉周期式炉周期式炉气体渗碳炉气体渗碳炉3井式气体渗碳炉井式气体渗碳炉4钢的气体渗碳钢的气体渗碳气体渗碳炉
3、气体渗碳炉动画5大型井式渗碳炉大型井式渗碳炉62.常用的渗碳剂常用的渗碳剂(二二)固体渗碳固体渗碳v设备：设备：固体渗碳箱，箱式电炉、反射式燃煤炉固体渗碳箱，箱式电炉、反射式燃煤炉v常用的渗碳剂：常用的渗碳剂：木炭或骨炭等木炭或骨炭等v常用的催渗剂：常用的催渗剂：碳酸钡或碳酸钠碳酸钡或碳酸钠渗碳剂渗碳剂气态渗剂气态渗剂气态渗剂气态渗剂天然气天然气天然气天然气丙丙丙丙烷烷烷烷煤气等煤气等煤气等煤气等液态渗剂液态渗剂液态渗剂液态渗剂煤煤煤煤 油油油油甲甲甲甲 醇醇醇醇乙乙乙乙 醇醇醇醇丙丙丙丙 酮酮酮酮苯苯苯苯 等等等等7钢的固体渗碳钢的固体渗碳零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱
4、钢的固体渗碳炉钢的固体渗碳炉8（三）液体渗碳（三）液体渗碳设备：设备：内热式或外热式盐炉内热式或外热式盐炉液体渗碳（无毒液体渗碳（无毒）盐浴的组成：盐浴的组成：供碳剂供碳剂木碳粉、尿素木碳粉、尿素（NH2）2CO基体盐基体盐NaCl2+KCl（加热介质）加热介质）催渗剂催渗剂Na2CO3等等（四）渗碳后的热处理四）渗碳后的热处理淬火低温回火淬火低温回火9（四）渗碳后的热处理四）渗碳后的热处理淬火低温回火淬火低温回火l渗渗碳碳零零件件的的淬淬火火温温度度的的选选择择要要兼兼顾顾高高碳碳的的深深层层和和低低碳碳的的心心部两方面的要求；部两方面的要求；l过过共共析析的的的的淬淬火火温温度度应应低低于
5、于Accm，而而亚亚共共析析层层的的淬淬火火温温度应高于度应高于Ac3；l当当AccmAc3，可可以以选选择择一一个个淬淬火火温温度度同同时时满满足足亚亚（过）共析钢的要求，（过）共析钢的要求，l当当AccmAc3，心心部部和和表表面面不不能能同同时时达达到到要要求求，应应根根据据渗渗层表面的含碳量和采用的淬火方法的综合加以考虑。层表面的含碳量和采用的淬火方法的综合加以考虑。10渗碳温度渗碳温度Ac3（心部）心部）Ar3（心部）心部）Ac1时间时间温度温度/淬淬火火回火回火a）预冷直接淬火预冷直接淬火b）一次淬火一次淬火缓缓冷冷淬淬火火回火回火c）二次淬火二次淬火缓缓冷冷淬淬火火淬淬火火回火回
6、火1.常用的淬火方法常用的淬火方法渗碳件常用的淬火方法渗碳件常用的淬火方法11l在在预预冷冷过过程程中中渗渗碳碳层层析析出出一一些些二二次次渗渗碳碳体体，在在随随后后的的冷冷却却过过程程中中减减少少了了渗渗碳碳层的残余奥氏体的数量；层的残余奥氏体的数量；l预预冷冷再再淬淬火火是是为为了了减减少少工工间的变形开裂；间的变形开裂；l淬火后进行低温回火；淬火后进行低温回火；l适适用用于于载载荷荷小小、耐耐磨磨性性要要求求较较低低的的工工件件。广广泛泛用用于于制制造造承承受受高高速速、中中载载并并却却扛扛冲冲击击和和耐耐磨磨损损的的零零件件，如如汽汽车车、拖拖拉拉机机变变速速箱箱齿齿轮轮、离离合合器器
7、轴轴和和车车辆辆的的伞伞齿轮和主轴等。齿轮和主轴等。淬淬火火回火回火a）预冷直接淬火预冷直接淬火870（1）预冷直接淬火法）预冷直接淬火法12（2）一次淬火法）一次淬火法淬火温度选择：淬火温度选择：应兼顾表面和心部的要求，应兼顾表面和心部的要求，通常：通常：心部性能要求较高时：心部性能要求较高时：THAc3，以以心部性能心部性能表面性能要求较高时：表面性能要求较高时：THAc1，以以表面性能表面性能一般在一般在820850之间，大于之间，大于AcAc1 1，接近，接近AcAc3 3,略低于略低于AcAccmcm，可以满足两方面的需求；，可以满足两方面的需求；应应用用：仅仅适适用用于于本本质质细
8、细晶晶粒粒钢钢，如如合合金金钢钢和和不不重重要要的碳钢，碳钢的淬火温度比合金钢可适当低一些。的碳钢，碳钢的淬火温度比合金钢可适当低一些。渗碳后缓冷，重新加热淬火及低温回火。渗碳后缓冷，重新加热淬火及低温回火。目的：目的：防止防止Fe3C的过量析出的过量析出细化晶粒细化晶粒防止变形防止变形13目的目的：第一次淬火第一次淬火THAc3，细化心部组织细化心部组织其性能其性能第二次淬火第二次淬火THAc1，细化表层组织细化表层组织其性能其性能故故可可获获得得表表面面具具有有高高硬硬度度、耐耐磨磨性性和和疲疲劳劳强强度度，心部具有良好的强韧性和塑性。心部具有良好的强韧性和塑性。应用：应用：仅仅适适用用于
9、于本本质质粗粗晶晶粒粒钢钢和和使使用用性性能能要要求求很很高高的的工工件件。这这种种方方法法工工艺艺较较复复杂杂，因因加加热热次次数数多多，工工件件易易氧氧化化、脱脱碳碳和和变变形形，成成本本高高等等缺缺点点，故故目目前该工艺已很少采用。前该工艺已很少采用。（3）二次淬火）二次淬火14渗碳层的渗碳层的缓冷组织缓冷组织（由表面至心部）：（由表面至心部）：亚共析组织（亚共析组织（PF）渗碳件渗碳件渗碳后淬火及低温回火后的组织：渗碳后淬火及低温回火后的组织：（五）渗碳层的组织（五）渗碳层的组织目的：目的：消除淬火应力，消除淬火应力，韧性，保持高硬度与耐磨性。韧性，保持高硬度与耐磨性。2.低温回火（低
10、温回火（160200）淬透时淬透时:未淬透时未淬透时:M回回K少少A M回回A 低碳低碳M回回M回回K少少AM回回A低碳低碳M回回F或或有有少量少量T、S过共析组织（过共析组织（PFe3C）共析组织（共析组织（P）15渗碳后缓冷组织渗碳后缓冷组织（由表面至心部）：（由表面至心部）：渗碳缓冷后的显微组织渗碳缓冷后的显微组织渗碳缓冷后的显微组织渗碳缓冷后的显微组织过共析过共析PFe3C共析共析（P）亚共析（亚共析（PF）心部心部16渗碳后淬火及低温回火后的显微组织渗碳后淬火及低温回火后的显微组织20CrMnTi钢齿轮渗碳后淬火钢齿轮渗碳后淬火+低温回火后的组织：低温回火后的组织：节园：节园：M回回
11、KA心部：低碳心部：低碳M齿顶：齿顶：M回回KA17下料下料锻造锻造正火正火机加工机加工渗碳渗碳淬火淬火低温回火低温回火喷丸喷丸磨削磨削（八）渗碳件的加工工艺路线（八）渗碳件的加工工艺路线（六）常用的渗碳钢（六）常用的渗碳钢20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo等等（七）局部防渗（七）局部防渗镀镀铜铜涂上专用涂上专用防渗剂防渗剂或或水玻璃加石棉绳水玻璃加石棉绳整体渗碳，局部淬火；渗碳缓冷后，把不需整体渗碳，局部淬火；渗碳缓冷后，把不需要渗碳的部分切削掉，然后整体加热整体淬火。要渗碳的部分切削掉，然后整体加热整体淬火。18二、钢的渗氮二、钢的渗氮定定 义义：向向 钢钢 件件 表表 面
12、面 渗渗 入入 N原原 子子 以以 形形 成成 高高 氮氮 硬硬 化化 层的化学热处理工艺。层的化学热处理工艺。目的：目的：提高钢铁件的表面硬度、耐磨性，疲劳强提高钢铁件的表面硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性及热硬性度和耐蚀性及热硬性（600650下仍具有高硬度下仍具有高硬度）（一）概述：（一）概述：（二）二）渗氮原理渗氮原理NH3550分解活性分解活性N表面形成固溶体表面形成固溶体或氮化物或氮化物达到一定渗层达到一定渗层0.400.60mm4070h19铁铁氮氮状状态态图图是是研研究究钢钢的的渗渗氮氮的的基基础础。Fe-N系中可以形成如下五种相：系中可以形成如下五种相：l相相氮氮在在-Fe中中
13、的的间间隙隙固固溶溶体体。氮氮在在-Fe中的最大溶解度为中的最大溶解度为01(在在590)。l相相氮氮在在-Fe中中的的间间隙隙固固溶溶体体，存存在在于于共共析析温温度度590以以上上。共共析析点点的的氮氮含含量量为为235(重量重量)。l相相可可变变成成分分的的间间隙隙相相化化合合物物。其其晶晶体体结结构构为为氮氮原原子子有有序序地地分分布布于于由由铁铁原原子子组组成成的的面面心心立立方方晶晶格格的的间间隙隙位位置置上上氮氮的的含含量量为为57、61(重重量量)之之间间当当含含氮氮量量为为59时时化化合合物物结结构构为为Fe4N因因此此，它它是是以以Fe4N为为基基的的固固溶溶体体。相相在在
14、680以以上上发发生生分分解解并并溶解于溶解于相中。相中。l相相含含氮氮量量很很宽宽的的化化合合物物其其晶晶体体结结构构为为在在由由铁铁原原子子组组成成的的密密集集六六方方晶晶格格的的间间隙隙位位置置上上分分布布着着氮氮原原子子。在在一一般般渗渗氮氮温温度度下下，相相的的含含氮氮量量大大致致在在825110范范围围内内变变化化。因因此此它是以它是以Fe3N为基的固溶体。为基的固溶体。l相相为为斜斜方方晶晶格格的的间间隙隙化化合合物物，氮氮原原子子有有序序地地分分布布于于它它的的间间隙隙位位置置。也也可可认认为为是是相相的的扭扭曲曲变变体体(为为六六方方晶晶格格)，含含氮氮在在1101135范范
15、围围，分分子子式式为为Fe2N。其其稳稳定定温温度度为为450以下，超过以下，超过450则分解。则分解。20（三）渗氮方法三）渗氮方法1.气体渗氮气体渗氮设备：设备：井式气体渗氮炉井式气体渗氮炉渗氮剂：渗氮剂：氨气氨气（2NH3 3H22N）生产中通常是通过调解氨分生产中通常是通过调解氨分解率控制渗氮过程（采用氨解率控制渗氮过程（采用氨分解率测定计）分解率测定计）渗氮温度：渗氮温度：500600渗层厚度：渗层厚度：0.400.60mm井式气体氮化炉井式气体氮化炉21l氮氮化化后后，工工件件的的最最外外层层为为一一白白色色或或相相的的氮氮化化物物薄薄层层，很脆，常用精磨磨去；很脆，常用精磨磨去；
16、l中中间间是是暗暗黑黑色色含含氮氮共共析析体体（）层层；心心部部为为原原始始回回火火索氏体组织。索氏体组织。22 40Cr40Cr钢钢钢钢钢渗氮缓冷至室温的显微组织钢渗氮缓冷至室温的显微组织钢渗氮缓冷至室温的显微组织钢渗氮缓冷至室温的显微组织45钢钢N化层（白亮层）化层（白亮层）N化层（白亮层）化层（白亮层）由表至里为：由表至里为：由表至里为：由表至里为：+相相相相 相相相相 相相相相心部心部心部心部232.离子渗氮离子渗氮基本原理：基本原理：置于低真空度容器内的工件在辉光放电的作置于低真空度容器内的工件在辉光放电的作用下，带电氮离子轰击工件表面，使其温度升用下，带电氮离子轰击工件表面，使其温
17、度升高，并渗入工件表层。高，并渗入工件表层。设备：设备：离子渗氮炉（井式或钟罩式）离子渗氮炉（井式或钟罩式）渗氮剂：渗氮剂：N2H2、氨气、氨分解气氨气、氨分解气优点：优点：渗层质量高，工件变形小，处理温度范围渗层质量高，工件变形小，处理温度范围宽，工艺可控性强，易实现局部防渗，渗速快，宽，工艺可控性强，易实现局部防渗，渗速快，生产周期短，热效高，无污染，处理后工件洁生产周期短，热效高，无污染，处理后工件洁净，工作环境好。净，工作环境好。245.氮化温度低，时间长。氮化温度低，时间长。如：如：38CrMoAl钢，钢，=0.530.77mm时，时，气体渗氮气体渗氮70h左右，左右，离子渗氮离子渗
18、氮1520h。（四）（四）渗氮的特点渗氮的特点1.渗层具有很高的硬度和耐磨性。渗层具有很高的硬度和耐磨性。2.渗氮温度低，工件变形小，精度高。渗氮温度低，工件变形小，精度高。3.工件耐蚀性提高。工件耐蚀性提高。4.渗层脆而薄，不宜承受集中的重载荷。渗层脆而薄，不宜承受集中的重载荷。25（六）（六）渗氮的应用渗氮的应用精密齿轮、主轴、汽缸、镗杆、压铸模具等精密齿轮、主轴、汽缸、镗杆、压铸模具等。（五）（五）渗氮用钢渗氮用钢（七）（七）渗氮工件的工艺路线渗氮工件的工艺路线下料下料锻造锻造退火退火粗加工粗加工调质调质精加工精加工去应力退火去应力退火渗氮渗氮粗磨粗磨精磨或研磨（抛光）精磨或研磨（抛光）
19、常用渗氮钢常用渗氮钢为为wC=0.15%0.45%的合金结构钢。的合金结构钢。需要指出：需要指出：渗氮前要进行调质处理，使工件心渗氮前要进行调质处理，使工件心部得到回火索氏体。部得到回火索氏体。典型钢种：典型钢种：38CrMoAlA，35CrMo、18CrNiW等。等。261.高温气体碳氮共渗（高温气体碳氮共渗（800880）渗剂：渗剂：渗碳剂（如煤油）氨气渗碳剂（如煤油）氨气定义：定义：将工件置于能产生碳、氮活性原子的介质将工件置于能产生碳、氮活性原子的介质中加热并保温，使工件表面同时渗入碳和氮原子中加热并保温，使工件表面同时渗入碳和氮原子然后按适当方式冷却的化学热处理工艺。然后按适当方式冷
20、却的化学热处理工艺。三、钢的碳氮和氮碳共渗三、钢的碳氮和氮碳共渗目的：目的：钢的硬度、耐磨性和疲劳强度钢的硬度、耐磨性和疲劳强度设备：设备：在各种普通渗碳炉的基础上，增加一套在各种普通渗碳炉的基础上，增加一套供氨装置即可用于碳氮共渗。供氨装置即可用于碳氮共渗。应用：应用：可用于低、中碳钢和低中碳合金钢制造可用于低、中碳钢和低中碳合金钢制造的零件。如：的零件。如：汽车、机床上的各种齿轮、汽车、机床上的各种齿轮、蜗轮蜗杆和轴类零件等。蜗轮蜗杆和轴类零件等。27与渗碳相比具有以下不同特性：与渗碳相比具有以下不同特性：(1)加热温度低、共渗后工件可直接淬火且变形小；加热温度低、共渗后工件可直接淬火且变
21、形小；(2)渗速快、生产效率高；渗速快、生产效率高；(3)渗层的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗压强度较渗层的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗压强度较高，并兼有一定的抗蚀能力；高，并兼有一定的抗蚀能力；(4)氮渗入后提高了回火稳定性，工件可在较高温氮渗入后提高了回火稳定性，工件可在较高温度下回火，以消除或减少淬火组织应力等。度下回火，以消除或减少淬火组织应力等。28C-N共渗淬火后的组织共渗淬火后的组织:心部：心部：工件尺寸较小淬透时为：工件尺寸较小淬透时为：M低碳低碳工件尺寸较大淬不透时为：工件尺寸较大淬不透时为：M低碳低碳+B或或T、F渗层表层：渗层表层：含氮的高碳含氮的高碳M（细针状或隐晶状）细针状
22、或隐晶状）+少量少量A+碳氮化合物碳氮化合物K（颗粒状）颗粒状）29渗剂：渗剂：尿素（尿素（NH2）2CO、甲酰胺、三乙醇胺等甲酰胺、三乙醇胺等设备：设备：一般的气体渗碳炉皆可。一般的气体渗碳炉皆可。组织：组织：与渗氮层大致相同，但由于碳的作用，化合与渗氮层大致相同，但由于碳的作用，化合物层的成分有所变化（物层的成分有所变化（Fe23（N，C)+Fe4N)。2.低温气体氮碳共渗（软氮化）低温气体氮碳共渗（软氮化）温度：温度：50057030工艺特点：工艺特点：（1）软氮化的工件变形很小，精度无明显变化。软氮化的工件变形很小，精度无明显变化。软氮化的工件变形很小，精度无明显变化。软氮化的工件变形
23、很小，精度无明显变化。（2 2）工件的耐磨性、疲劳强度、）工件的耐磨性、疲劳强度、）工件的耐磨性、疲劳强度、）工件的耐磨性、疲劳强度、抗咬合和抗檫伤抗咬合和抗檫伤等性能高。等性能高。（3）与渗氮相比其渗层硬而韧，故不易产生剥落。）与渗氮相比其渗层硬而韧，故不易产生剥落。应用：应用：不受钢种限制。普遍用于模具、量具及耐磨不受钢种限制。普遍用于模具、量具及耐磨零件处理。零件处理。如如3Cr2W8压铸模经压铸模经软氮化处理其寿软氮化处理其寿软氮化处理其寿软氮化处理其寿命提高命提高命提高命提高3 35倍；倍；高速钢刀具经高速钢刀具经软氮化处理后软氮化处理后软氮化处理后软氮化处理后寿寿命可提高命可提高20200%。31作业作业P2731，3，4，6，832