钢的表面热处理工艺

试棒 零件 渗碳剂
固体渗碳法示意图
2.2.渗碳
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)
2.2.渗碳
➢ 渗碳后缓冷组织（由表面至心部）：
心部 ← 亚共析（P＋F） ← 共析（P） ← 过共析P＋Fe3CⅡ
20CrMnTi钢齿轮渗碳后淬火+低温回火后的组织：
碳原子的扩散
扩散：获得一定深度渗碳层的必要条件 扩散驱动力：表层与心部间的碳质量分数梯度。 扩散速度：取决于碳浓度梯度和扩散系数D。
31350 D (0.04 0.08 wc ) exp( RT )
扩散距离(渗碳层深度)：服从Fick定律 k t
δ：渗层深度，k：扩散系数，k：扩散时间。
2.2 渗碳
感应加热( 高、中、工频 )
*工艺方法 火焰加热
电接触加热法等
1.2 快速相变特点
01
02
03
04
提高相变 临界温度
奥氏体起 始晶粒得 到细化
奥氏体成 分均匀性 降低
降低过冷 奥氏体的 稳定性
1.3.感应表面淬火
水
1.4.火焰表面淬火
*设备简单, 操作方便, 成本低。 *淬火质量不稳定。 *适于单件、小批量及大型零件的生产。
易控；难以兼顾工件表层和心部的性能。
工程案例1
组合式滚轮、滚轮刀轴结构见图所示，材料为20CrNiMo。加工过程：锻造 →正火→机加工→表面渗碳→机加工→淬火+回火→机加工→装配→焊接
主要热处理工艺
1
正火
正火温度930±10℃，时间 2h，散开空冷
热处理
4
淬火与回火
工艺阶段 淬火加热 淬火冷却 清洗 回火
=
802.6 10(3720
/
t
T)
δ-渗层深度，mm; t-渗碳时间，h；T-渗碳温度，K
（3）渗碳剂流量：不同阶段，所需渗碳剂流量不同，受多重因素影响。
2.2.渗碳
两段渗碳工艺
两段渗法：把渗碳工艺过程分为强渗和扩散两段，适用于渗层较厚的情况。
900-930℃ 30-60min
取中间试样
860-880℃ 1h
温度℃ 820 60~80 80~90 170
时间min 2×60
0.5×60 5×60
2
表面渗碳
温度℃ 时间min 碳势C%
1)涂防渗涂料 2) 装炉摆放 3) 渗碳
预热 400 升温 920
1×60 1.5×60
恢复碳势
渗碳按右表参数进行，可以满足要 强渗 920
18×60 1.2~1.3C%
求: ①渗层深度1.4~1.8mm；②表 面碳浓度0.85~1.05%。
e. 工艺较复杂，处理周期长，对设备要求高。
2.1. 化学热处理
4.基本过程 a.渗剂的分解 渗剂在一定温度下发生系列化学反应，产生渗入元素活性原子。如煤油、丙酮 分解形成CO、CH4，它们分解形成活性碳原子[C]；氨分解形成活性氮原子[N] 。 b.活性原子在工件表面的吸收 吸附是活性原子被工件表面吸收并溶解的过程。 c.扩散: 表层和内部出现浓度差，扩散形成渗层，渗层浓度逐渐降低；扩散速度 取决于浓度梯度和扩撒系数(t)。 5.加速化学热处理的途径 a.化学催渗法 提高渗剂活性，Fe,Ni活化氨及甲烷分解。工件表面状态的影响 b.物理催渗法 高温、高压、低压
氨分解与氮原 子吸附
氮的扩散
氮在ɑ-Fe中的扩散系数
DN
4.67 104
exp( 17950) RT
氮在ɛ氮化物中的扩散系数
DN
0.277 exp(
35250) RT
纯铁渗氮的浓度分布随时间的变化
渗氮层的形成属于典型的反应扩散
常规渗氮工艺方法
一段渗氮法
一段渗氮：在同一渗氮温度下长时间保温的渗氮方法。
缺点：加热不均匀， 表面质量不高、生产 率不高。
应用：中碳钢、中 碳合金钢及铸铁件、 小批生产 或大工件 的表面淬火。
第2部分
化学热处理
2.1 概况 2.2 钢的渗碳 2.3 钢的渗氮 2.4 碳氮共渗
2.1 化学热处理概况
1.定义：将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素深入工件 表面，从而改变表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。 2.分类：表面扩散渗入、表面涂覆 3. 与表面淬火的区别： a.利用金属或非金属元素渗入金属工件表层，与基体形成固溶体、特殊化合物， 渗入组元可在渗层表面形成化合物。 b.渗层深度根据工件技术要求调节，渗层成分、组织和性能由表到心部逐渐变 化，不易剥落。 c.不受工件几何形状的限制，复杂工件外壳和内腔获得所需渗层。 d. 工件变形小、精度高、尺寸稳定性好，提高力学性能与抗蚀性、抗氧化、 减磨、抗咬合、耐热。
扩散 920
1.5×60
缓冷 前 室 风 1×60
冷
0.8~0.9C% 氮气保护
3
放置与检查
沿料盘前、 中、后放置试棒1、2和3。 试棒1用于检查表面碳浓度 试棒2用于后序“淬火+回火”后的表面/心部硬度 和渗碳层深度检查。 试棒3用于后序“淬火+回火”后的金相组织检查。
2.3.渗氮 渗氮：在一定温度下使活性氮原子渗入到工件表面的化学热处理工艺
(1)渗氮速度随温度升高而加快，提高渗氮温度可以 缩短渗氮时间 (2)渗氮过程中“等活度时效”的沉淀物尺寸随温度 升高而增大，会导致渗氮层硬度降低，该现象出现 在高于510℃渗氮情况下 (3)优点：渗氮温度低，表面硬度高，畸变小 (4)缺点：生产周期长，设备利用率低，氨气消耗大
二段渗氮法
三段渗氮法
淬火
回火
渗氮
2.4.碳氮共渗
主要 优点
原理
主要优点一：比渗碳温度低，晶粒不会长大，适于直接淬火 主要优点二：共渗速度快，效率高 主要优点三：淬火变形和开裂倾向小 主要优点四：耐磨，疲劳强度高，脆性低
NH3 CO HCN H2O
NH3 CH4 HCN 3H2 1
HCN 2 H2 [C] [N]
排气
强渗
扩散
时间
降温 空冷或 冷却罐中冷却
(1) 排气阶段：900℃以下，采用大滴量甲醇或 大滴量甲醇+小滴量煤油方式排气；900℃ 以上改用煤油或增加煤油滴量排气。
(2) 强渗阶段：采用大滴量煤油，造成炉内高碳 势，使工件表面碳浓度高于所要求的的碳含 量，增大碳浓度梯度，一般炉压147-196Pa。
渗碳是钢最常用化学 表面热处理方法
2.2. 渗碳
1) 气体渗碳 方法：滴注式渗碳 介质：苯、醇、煤油等液体
煤油
风扇电机 废气火焰 炉盖
电阻丝
耐热罐 工件
炉 体
2.2. 渗碳
常用的渗碳剂：木炭或骨炭等
泥封
盖
常用的催渗剂：碳酸钡或碳酸钠
渗碳工艺：工件+渗碳剂密封装入渗碳箱
渗碳箱中，加热至900～950℃保 温。
(1) 与一段渗氮法相比，二段渗氮法在保证工件较 高硬度的前提下缩短了氮化时间，平缓了硬度梯 度，减薄了表面的白亮脆性化合物 (2) 但却增加了变形量。二段渗氮法适用于渗氮深 度较大的工件，如磨床主轴、镗床刀杆等
(1) 优点：生产周期短、设备利用率高、成本低
(2) 缺点：工件表面硬度和畸变不易控制。该法 在生成中受到一定限制
节园：M回＋K＋A' 齿顶： M回＋K＋A'
心部：低碳M
2.2.渗碳
渗碳件的加工工艺路线
锻造-正火-机械粗、半精加工-渗碳-淬火、低温回火-精磨-装配 渗碳工艺参数
（1）渗碳温度：通常在900~930℃，温度过高，粗化奥氏体晶粒，增大工件畸变，
缩短设备使用寿命。
（2）渗碳时间：根据渗碳平均速度估算，渗碳时间与深层深度有关联性。
A/数量，保证硬度；降低应力，减小畸变。 (3) 工艺优点：简单，减少淬火加热工序，减少
变形及氧化脱碳。
一次淬火+低温回火
渗碳
缓 冷
1 2
Ac3
3
Ac1
160-200℃
时间
(1) 适用对象：气体渗碳后A晶粒粗化钢及不 便直接淬火的工件(固体渗碳件)。
(2) 淬火加热温度：根据性能要求而定。 (3) 工艺的特点：工序较简单，易操作，质量
(3) 扩散阶段：减少渗碳剂滴量，降低气氛碳势， 使由富碳表层向内扩散的碳量超过介质传递 给工件表面的碳量。
(4) 降温和出炉：扩散结束后开始降温和出炉。
温度
温度 温度
2.2.渗碳
渗碳后的预冷
油冷 160-200℃
时间
(1) 适用对象：A晶粒没明显长大(本质细晶钢)。 (2) 预冷作用：析出碳化物，增加耐磨性；减少
本章思维导图(Ⅰ)
本章思维导图(Ⅱ)
作业
1. 试述感应加热表面淬火工艺参数的选择原则。 2. 简述钢的气体渗碳工艺参数确定原则(包括气体碳势的选择、控制原 理、渗碳温度的选择及渗碳时间的确定) 3. 钢渗碳后有哪些热处理方法？分析其优缺点。 4. 简述钢的渗氮过程。 5. 常见气体渗氮方法有哪些？钢的气体渗氮工艺参数该如何选择？ 6. 离子氮化原理及特点如何？ 7. 基于渗氮层组织分析其性能特点。 8. 比较碳氮共渗与氮碳共渗的工艺特点及渗层性能特点。 9. 简述固体渗硼和盐浴渗硼的工艺要点。 10. 常见的渗金属方法有哪些？试述渗铬、渗铌、渗钒及渗钛的组织性 能特点。
钢的表面热处理
工件表面特点
1 2 3 4 5
表面应力最大 表面应力集中最大 表面最容易发生变形 表面容易发生磨损 表面容易腐蚀
主要内容
1
钢的表面淬火
2
钢的化学热处理
1.1 表面淬火概况
表面淬火：是一种对零件需要硬化的表面进行淬火的工艺。不 改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理工艺。
表面淬火实现基本条件：快速加热，表层马氏体，心部调质或正火 态原始组织。
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2.2 渗碳原理
渗 碳 渗碳介质的 过 分解 程
碳原子的吸 收
碳原子的扩 散
碳介质的分解
分解：渗碳剂在一定温度下发生一 些列化学反应(多为分解反应)，产 生渗入元素活性原子的过程。
煤油、丙酮分解成CO、CH4， 进一步形成活性碳原子[C]。
2CO CH 4
CO2 [C] 2H2 [C]
2. 渗碳原理
渗氮层组织与性能
高硬度和耐磨性
高的疲劳强度
性能 特点
在590℃以下渗氮时渗层组织和氮含量分布示意图 a) 渗氮温度下的组织 b) 氮含量分布曲线 c) 缓冷
到室温的组织
较高的耐蚀性
高的抗 “咬卡”性
变形小且规律强
工程案例2
单体泵是柴油机尾气达标排放放电供油系统，材料为 40CrMnMoA或42CrMoA钢，单体泵泵体加工过程： 下料—锻造—预备热处理—车削加工—淬火—回火— 喷砂及铰孔—清洗—渗氮—加工与冲孔。
碳原子的吸收
吸收：活性碳原子被工件表面吸附并 溶解的过程。
吸附条件：工件表层存在未被平衡的 剩余引力，能吸附引力范围内的CO 和CH4分子。 CO CO2 CO CO2
C O C O [C]
Fe Fe Fe Fe Fe
Fe Fe Fe Fe Fe Fe
Fe Fe Fe Fe Fe
溶解条件： [C]在基体金属中有一定 溶解度。