钢的化学热处理

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㈠ 渗碳原理 ⑴ 渗碳介质的分解
工业气体渗碳方法的主要类型
可控气氛＋碳氢化合物气体
含碳的有机液体
在炉中产生所需要的渗碳气氛
气氛的主要组成物都是CO、CO2、CH4、H2和H2O 等5种气体； 其中CO和CH4起渗精碳品作课件用，其余的起脱碳作用。 16
在渗碳炉中，与渗碳有关的最主要反应有如下四个
目的有四
提高零件的疲劳强度 提高零件的抗蚀性
提高零件的抗高温氧化性
⑴ 提高零件的耐磨性
➢在表面形成高硬层
➢在钢件表面形成减磨、抗粘结薄膜
➢在钢件表面同时形成高硬层与抗粘或减磨薄膜
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在表面形成 高硬层
钢件渗碳淬火可获得高碳 M硬化表层；合金钢件渗 氮可获得合金氮化物的弥 散硬化表层。
在表面形成减磨、 抗粘结薄膜
⑶ 提高零件的抗蚀性 例如渗氮可提高零件抗大气腐蚀性能
⑷ 提高零件的抗高温氧化性
钢件渗铝、渗铬、渗硅后，与氧或腐蚀介质作用
形成致密、稳定的Al2O3、Cr2O3、SiO2保护膜，
提高抗蚀性及高温抗氧化性。
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钢的化学热处理具有如下特点
1）不受工件几何形状的限制 2）具有较好的工艺性 3）经济效果好 4）能获得具有特殊性能的表面层
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⑶ 碳原子的扩散 碳原子由表面向心部的扩散，是渗碳得以进行并获 得一定深度渗层的条件。
生产效率高 劳动条件好
渗碳 种类
固体渗碳 常用
便于直接淬火等
液体渗碳
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渗碳的目的 提高零件表层的含碳量
提高表层硬度，增强 零件的抗磨损能力
同时保持心部的 良好韧性
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
渗碳用钢：为低碳钢及低碳合金钢，如20、20Cr、
20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。
能获得具有特殊性能的表面层
如耐腐蚀性、耐磨性等
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㈢ 化学热处理的分类
目前工业上广泛使用的化学热处理方法，就是在钢 件表面渗入一种或多种元素，即渗入法。
根据所渗入的元素，可以将化学热处理分为渗碳、 渗氮、渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。
如果同时渗入两种以上的元素，则称之为共渗，如 碳氮共渗、铬硅铝共渗等。
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在所供应的原料气氛 组成稳定的情况下， 只要控制气氛中微量 的 CO2 、 H2O 、 CH4 或 O2 中 的 任 何 一 个 的含量，就可达到控 制渗碳炉中碳势的目 的.
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通常，生产中多 采用露点仪来控 制气氛中的H2O 含量；
因为气氛的露点 与气氛中的含水 量具有很好的对 应关系，即含水 量越高、露点就 越高；
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不受工件几何 形状的限制
即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
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
质的敏感性较小等等
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经济效果好
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。
氧化等条件下工作的零件，其表面层的性能就显
得尤为重要。
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经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种 特殊复合材料。
渗入了合金 元素的材料
紧密的 晶体型结合
原始 成分 的钢
远远强于电镀等 表面涂覆技术所 获得的心、表部 之间的结合
经化学热处理后的钢件
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㈡ 化学热处理的目的
提高零件的耐磨性
比表面淬火 硬化方法的
效果更好
可获得适应零 件多种性能要 求的表面层
提高表面硬度 时，仍能保持 心部处于较好 的韧性状态
化学热处理同 时改变钢件表 层的化学成分
与组织
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如果渗入元 素选择适当
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⑵ 提高零件的疲劳强度
渗碳、渗氮、软氮化和碳氮共渗等方法，都可使 钢零件在表面强化的同时，在零件表面形成残余 压应力，有效地提高零件的疲劳强度。
钢中渗入的元素，可能溶入铁中形成固溶体，也可
能与铁形成某种化合物，总之渗入的元素与基体金
属之间具有相互作用。
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㈣ 化学热处理的基本过程
渗入法化学热处理的 基本过程
分解
吸收
扩散
钢件周围的介 质ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ解，以形 成渗入元素的
活性原子
活性原子被钢件吸 收，其先决条件是 活性原子能够溶解 于钢件表层金属中
蒸汽表面处理产生的Fe3O4 薄膜有抗粘结的作用，表 面硫化获得的FeS薄膜可兼 有减磨与抗粘结的作用。
在表面同时形 成高硬层与抗 粘或减磨薄膜
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近年来发展起来的多元共 渗工艺，如氧氮共渗，硫 氮共渗，碳氮硫氧硼五元 共渗等。
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化学热处理方法 表面硬化的优势
能更好地解决 钢件硬化与其 韧性的矛盾
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11.1 化学热处理概述
㈠ 化学热处理的概念
钢的化学热处理：是将钢件置于特定的活性介质 中加热保温，使一种或几种元素渗入钢件表层， 从而改变钢件表层化学成分和组织，达到改进表 面性能，满足技术要求的热处理过程。
机械零件的失效和破坏，大多数都萌发在工件的
表面层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、
渗入原子在基体金属 中的扩散，是化学热 处理得以进行和获得 一定深度渗层的保证
目前生产中最常用的化学热处理是渗碳、渗氮、碳
氮共渗、渗硼和渗铝等。
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11.2 钢的渗碳
渗碳：就是将钢件置于具有足够碳势的介质中加热
到奥氏体状态并保温，使其表层形成一个富碳层的
热处理工艺。
碳势可控
气体渗碳 最常用
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⑵ 碳原子的吸收
要使反应生成的活性碳原子被钢件表面吸收，必 须满足以下条件：
① 工件表面必须清洁；
② 炉气需要具有良好的循环：活性碳原子被吸 收后，剩下的CO2、H2或H2O等脱碳气氛需 要被及时排出；
③ 控制好分解和吸收两个阶段的速度，使之恰
当配合：如果分解速度大于吸收速度，将在
工件表面形成积碳，从而影响吸收速度。
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生产中或者采用 红外线仪来控制 CO2的含量；
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或者采用氧探头来控制气氛中O2含量。 无论采用上述哪种方法，都可以达到控制渗碳炉中 渗碳气氛碳势的目的。
在实际生产中，渗碳时间往往比较短，必须根据气 氛种类、表面碳含量要求、渗碳温度和渗碳时间等 因素确定出一个在不平衡情况下的合适碳势，才能 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。