Chapter 11 金属的化学热处理
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Chapter 11 金属的化学热处理
Definition: 金属制件在一定化学介质中，表面与介质相互作用，吸收其中某 些原子(或离子), 通过加热使该原子自表面向内部扩散的过程
作用：改变金属表面的化学成分和性能
目的 通过改变金属表面的化学成分及热处法获得单一材料难以实现的性能
进一步↑金属制件的使用性能
6、表面腐蚀和氧化 原因： 渗碳剂不纯，含杂质多，如硫或硫酸盐的含量高 液体渗碳后零件表面粘有残盐，均会引起腐蚀 渗碳后零件出炉温度过高，等温盐浴或淬火加热盐浴脱氧不良 预防措施：仔细控制渗碳剂盐浴成分，并对零件表面及时清洗
§11.3 金属渗氮
向金属表面渗入氮元素的工艺称为渗氮或氮化 特点：钢渗氮可以获得 比渗碳更高的表面硬度和耐磨性，HV950～1200
渗碳方法：固体渗碳法、液体渗碳法及气体渗碳法
渗碳工件装入有固体渗剂的密封箱内 （一般采用黄泥或耐火粘土密封），在 渗碳温度加热渗碳 固体渗碳剂：由一定大小的固体炭粒和
起催渗作用的碳酸盐组成 渗碳温度：900～930℃
液体渗碳是在能析出活性碳原子的 盐浴中进行的渗碳方法
优点：加热速度快，加热均匀，便 于渗碳后直接淬火
四、渗碳后钢的组织与性能
自渗碳温度直接淬火后，渗层组织无过剩碳 化物，仅为针状M+A′ A′量自表面→内部逐渐减少 渗层硬度：在C=0.6%最高
表面由于A ′较多，硬度稍低
离表面0.2mm处A中含C量最高、A′量最多，HRC最低。
Reason：渗碳过程中剧烈形成碳化物这种钢中含有Ti、Cr碳化物形成元素，
钢渗氮时氨的分解主要在炉内管道、工件、渗氮箱及挂具等钢铁材料的 构件表面通过催化作用来进行
通入渗氮箱的NH3，经过工件表面而落入表面原子的引力场时，被钢件 表面所吸附→化学吸附
在化学吸附作用下，解离出的活性氮原子，被钢件表面吸收并渗入工件 表面
二、渗氮层的组织和性能 纯铁渗氮层的组织和性能 在520℃ 渗氮时，若表面氮原 子能充分吸收，则自表面→中 心依次为ε相→γ′相→α相
回火温度的选择应以最 有利于A′转变为原则
Note：不论采用哪种淬 火方法，渗碳件在最终 淬火后均应180～
3、两次淬火：在渗碳缓冷后进行两次加热淬火 200℃ 低温回火
第一次淬火加热温度 > Ac3
细化心部组织，消除表面网状碳化物
第二次淬火加热温度 > 渗碳层成分的Acl温度(780～820℃)
细化渗碳层中A晶粒→隐晶M+ A′+ 均匀分布的细粒状碳化物渗层组织 缺点：多次加热，生产周期长、成本高，↑热处理时的氧化、脱碳及变形 等 适用于对性能要求较高的零件
面含碳量控制在‾0.9%
➢一般认为表面粒状碳化物增多， 可↑表面耐磨性及接触疲劳强度
➢但碳化物数量过多，特别是呈粗 大网状或条块状分布时，将使冲 击韧性、疲劳强度等性能变坏
☻渗碳层的深度↑→承载接触应力↑。因为由接触应力引起的最大切应力发生 于距离表面的一定深度处。若渗层过浅，最大切应力发生于强度较低的非渗 碳层（即心部）组织→渗碳层塌陷剥落。但渗碳层深度↑→渗碳件Ak↓
金属表面溶入被渗元素的原子后，表面该种元素的浓度↑→表面与内部存在 着浓度差→发生原子迁移现象，即扩散
纯扩散与反应扩散
§11.2 钢的渗碳
一、渗碳的目的、分类及应用
最广泛
ห้องสมุดไป่ตู้
钢的渗碳是钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得 一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺
目的是使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强 度和弯曲疲劳强度。
2、反常组织：特征是在先共析渗碳体周围出现F层 常在钢中含氧量较高（如沸腾钢）的固体渗碳时看到 具有反常组织的钢经淬火后易出现软点 补救办法：适当↑淬火温度或适当延长淬火保温时间，使A均匀化，并 采用较快的淬火冷却速度
3、粗大网状碳化物组织 形成原因：由于渗碳剂活性太大，渗碳阶段温 度过高，扩散阶段温度过低及渗碳 时间过长引起
☻渗碳件心部的硬度，不仅影响渗碳件的静强度，同时也影响表面残余应力的 分布，从而影响弯曲疲劳强度。在一定渗碳层深度情况下，心部硬度↑→表 面残余压应力↓。渗碳件心部硬度过高↑→渗碳件Ak↓；心部硬度过低，则 承载时易于出现心部屈服和渗层剥落
五、渗碳缺陷及控制 1、黑色组织：含Cr、Mn及Si等合金元素的渗碳钢渗碳淬火后，在渗层表
例如渗C的相界面反应
主要过程
活性碳原子
钢表面渗碳碳原子的来源
气体渗氮时，通入氨气与钢表面产生相界面反应
活性氮原子
渗入钢件表面
化学热处理有时只有扩散过程，例如热浸 法渗金属时，把工件浸在熔融的金属中， 直接吸附金属原子并向内部扩散
二、化学热处理渗剂及其在化学热处理过程中的化学反应机制 渗剂：欲渗元素的物质 + 一定比例的催渗剂 渗剂的活性：在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力 例如普通气体渗氮不能用N2作为渗氮剂（在普通渗氮温度N2不能 分解出活性氮原子） 催化剂是促进含有被渗元素的物质分解或产生出活性原子的物质，它仅 是一种中间介质，本身不产生被渗无素的活性原子
钢 预冷的温度：稍高于心部成分的Ar3点，避免淬火后心部出现自由F
优点：减少加热、冷却次数，简化操作，减少变形及氧化脱碳
缺点：在较高渗碳温度停留较长→A晶粒↑
2、一次加热淬火：渗碳后缓冷，再次加热淬火
温度应根据工件要求 稍高于心部成分的Ac3点 心部要求强度较高
稍高于表面的Ac1
表面要求较高HRC和耐磨性
含ＮＭ(α′)是Ｎ在α-Fe中过饱和固溶体，具有体心正方晶格，与含碳 Ｍ类似
2、钢的渗氮过程：和其它化学热处理一样，也由五个交叉的过程所构成。 对气体渗氮来说，主要是渗剂中的扩散、界面反应及相变扩散 普通渗氮：常用氨气作为渗氮介质 NH3 在无催化剂时，分解活化能为377kJ/mol 在有铁、钨、镍等催化剂作用下，分解活化能约为167kJ/mol
而且合金元素的扩散又极缓慢，在较短时间内很难扩散重新分
布。一旦C浓度达到A饱和极限浓度→析出合金渗碳体
正常情况，渗碳层淬火后的组织从表面→心部依次为：M+A′+碳化物 →M+A′→M→心部组织
心部组织：完全淬火为低碳M 淬火温度较低的为M+游离F 淬透性较差的钢为T or S+ F
一般希望渗层浓度梯度平缓 为了得到良好的综合性能，表
滴注式渗剂的选择原则： ★应该具有较大的产气量：产气量高的渗碳剂，炉内装入新的工件时，可 以在较短时间内把空气尽快地排出 ★ 碳氧比>1： 碳氧比↑→析出的活性碳原子↑，渗碳能力↑ 当碳氧比=1 时，如甲醇( CH3OH )，高温分解产物主要是CO和H2，而 CO是一种极弱的渗碳气体→可选作稀释剂 ★ 碳当量：碳当量↑→物质的渗碳能力↓ 渗碳能力：丙酮＞异丙醇＞乙酸乙脂＞乙醇＞甲醇 ★ 气氛中CO和H2 成分的稳定性：用CO2红外仪或露点仪控制碳势 ★ 考虑原料的价格及其来源
最初：用煤油、焦苯作为渗碳剂直接滴入渗碳炉内进行渗碳
缺点：析出活性碳原子过多→不能全部被钢件表面吸收，在工件表面 沉积成碳黑、焦油等 →阻碍渗碳过程的继续进行→ 渗碳层深度及 碳浓度不均匀等
近年：发展了滴注式可控气氛渗碳（两种有机液体同时滴入炉内）
优点：无需特殊设备，只要对现有井式渗碳炉稍加改装，配上一套测量 控制仪表即可
预防补救办法：进行温度高于Acm的高温淬火 或正火
4、渗碳层深度不均匀 原因：原材料中带状组织严重 渗碳件表面局部结焦或沉积碳黑，炉气循环不均，零件表面有氧化膜或 不干净，炉温不均匀，零件在炉内放置不当等所造成
5、表层贫碳或脱碳： 原因：扩散期炉内气氛碳势过低，或高温出炉后在空气中缓冷时氧化脱碳 补救办法：在碳势较高的渗碳介质中进行补渗 在脱碳层＜0.02mm 时可以磨去或喷丸等
（HRC65～72) ，600℃仍可保持相当高的硬度 比渗碳更高的弯曲疲劳强度 渗氮温度较低（500～570℃）→变形很小 ↑工件的抗腐蚀性能 渗氮工艺过程较长，渗层也较薄，不能承受太大的接触应力
一、钢的渗氮原理 1、Fe–N状态图：研究钢的渗氮的基础，Fe-N系中可以形成五种相：
a相 ― 氮在a-Fe中的间隙固溶体，氮的最大溶解度为0.1%（590℃） g相 ― 氮在g-Fe中的间隙固溶体(>590℃), 共析点氮含量为2.35wt% g′相 ― 可变成分的间隙相, 晶体结构为氮原子有序地分布于Fe原子组成
适用于固体渗碳以及液体、气体渗碳的工件(特别是本质粗晶粒钢)，或
渗碳后不能直接淬火的零件
20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA等高合金渗碳钢零件：渗C后保留有大量A′ 为了↑渗碳层表面HRC，在一次淬火加热前应进行高温回火
640～680℃×68h回火→A′发生
分解，碳化物充 分析出和集聚
540℃×2h ×三次 回火 更能促进冷 却过程中的 A′→M转变
面组织沿晶界出现呈断续网状的黑色组织 原因：渗碳介质中的O向晶界扩散，形成Cr、Mn、Si等的氧化物 → 内氧化
氧化使晶界及附近的合金元素贫化，淬透性↓→淬火后出现非M组 织
预防办法：注意渗碳炉的 密封性能， ↓炉气中的含O量
补救措施：出现黑色组织时， 若深度≯0.02mm ， 可磨去或表面 喷丸处理
化学热处理时分解出被渗元素的活性原子的化学反应有如下几类： 1 、分解反应：普通气体渗碳及气体渗氮
例如用甲烷渗碳 2 ．置换反应：例如渗金属时，常按下列反应进行
3 ．还原反应：例如渗金属时有时按下列反应进行
三、化学热处理的吸附与扩散过程 相界面反应是和金属表面对渗剂的吸附过程紧密相关 一般固体表面对气相的吸附分成两类：物理吸附和化学吸附 吸附能力和工件表面活性有关 工件表面光洁度↓，吸附和吸收被渗原子的表面↑，活性↑ 工件表面愈新鲜（既没有氧化也没有被沾污→表面原子的自由键力 场完全暴露，↑捕获被渗元素分子的能力）→↑表面活性
渗剂耗量 温度和时间 最佳工艺规范的获得
三、渗碳后的热处理
1、直接淬火：工件渗碳后，预冷到一定温度，然后立即进行淬火冷却
本
这种方法一般适用于气体渗碳或液体渗碳
质
固体渗碳时，由于工件装箱，出炉、开箱比较困难→不用
细 淬火前的预冷可以随炉降温或出炉冷却 晶 粒 预冷的目的：使工件与淬火介质的温度差↓，↓应力与变形
例如低碳钢：表面渗碳 + 淬火 工件表面具有高HRC、高耐磨性 心部具有良好塑性和韧性
高速钢刀具：热处理后，再进行软氮化或离子渗氮，可进一步↑耐磨性 和抗腐蚀性能→↑刀具使用寿命
§11.1 化学热处理基本原理
一、化学热处理的基本过程
交叉进行
渗剂中的反应+扩散、渗剂与被渗金属表面的界面反应以及被渗元素原子的 扩散和扩散过程中相变等过程
CO2含量↑→炉气碳势↓ 相同温度和CO2含量条件下：不同钢材的碳势不同 不同渗碳温度：同一CO2含量所得碳势不同。炉温↑→碳势↓
2、吸热式渗碳气氛渗碳: 吸热式气氛 + 富化气的混合气 碳势控制：调节富化气的添加量，一般常用丙烷作富化气 需要特设的气体发生设备 →适用于大批生产的连续作业炉
3、渗碳工艺规范的选择：如何以最快速度、最经济的效果获得合乎要求的 渗碳层
缺点：多数盐浴有毒！！
气体渗碳是工件在气体介质中进行碳的渗入过程的方法 渗碳气体可 用碳氢化合物有机液体：如煤油、丙酮等直接滴人炉内汽化
事先制备好的一定成分气体通入炉内
吸热式气氛渗碳 氮基气氛渗碳
滴注法渗碳
分解出活性碳原 子渗入工件表面
二、气体渗碳工艺原理 1、滴注式可控气氛渗碳原理
一种气体碳势较低→稀释气 另一种气体碳势较高→ 富化气
的面心立方晶格的间隙位置, 氮含量为5.7~6.1wt%。当 N=5.9%时化合物结构为Fe4N 。因此， g′相是以Fe4N为基的固 溶体, 在680℃ 以上发生分解并溶于ε相
ε相― 含N量很宽的化合物，晶体结构为在由 Fe原子组成的密集六方晶格的间隙位 置上分布着氮原子。在一般渗氮温度 下，ε相的含N量为8.25～11.0％。因 此它是以Fe3N为基的固溶体。
ξ相 ― 为斜方晶格的间隙化合物，N原子有序 地分布于间隙位置。也可认为是ε相的 扭曲变体（六方晶格），N=11.0～ 11.35％，分子式为 Fe2N。稳定温度 ≤450℃，>450℃ 发生分解
两个共析转变温度：在650℃，ε → γ ＋ γ′ 590℃，γ → α + γ′
其中：γ相为含氮A，当从高于590℃的温度迅速冷却时将发生M转变，其转 变机理和含CＡ的Ｍ转变一样
Definition: 金属制件在一定化学介质中，表面与介质相互作用，吸收其中某 些原子(或离子), 通过加热使该原子自表面向内部扩散的过程
作用：改变金属表面的化学成分和性能
目的 通过改变金属表面的化学成分及热处法获得单一材料难以实现的性能
进一步↑金属制件的使用性能
6、表面腐蚀和氧化 原因： 渗碳剂不纯，含杂质多，如硫或硫酸盐的含量高 液体渗碳后零件表面粘有残盐，均会引起腐蚀 渗碳后零件出炉温度过高，等温盐浴或淬火加热盐浴脱氧不良 预防措施：仔细控制渗碳剂盐浴成分，并对零件表面及时清洗
§11.3 金属渗氮
向金属表面渗入氮元素的工艺称为渗氮或氮化 特点：钢渗氮可以获得 比渗碳更高的表面硬度和耐磨性，HV950～1200
渗碳方法：固体渗碳法、液体渗碳法及气体渗碳法
渗碳工件装入有固体渗剂的密封箱内 （一般采用黄泥或耐火粘土密封），在 渗碳温度加热渗碳 固体渗碳剂：由一定大小的固体炭粒和
起催渗作用的碳酸盐组成 渗碳温度：900～930℃
液体渗碳是在能析出活性碳原子的 盐浴中进行的渗碳方法
优点：加热速度快，加热均匀，便 于渗碳后直接淬火
四、渗碳后钢的组织与性能
自渗碳温度直接淬火后，渗层组织无过剩碳 化物，仅为针状M+A′ A′量自表面→内部逐渐减少 渗层硬度：在C=0.6%最高
表面由于A ′较多，硬度稍低
离表面0.2mm处A中含C量最高、A′量最多，HRC最低。
Reason：渗碳过程中剧烈形成碳化物这种钢中含有Ti、Cr碳化物形成元素，
钢渗氮时氨的分解主要在炉内管道、工件、渗氮箱及挂具等钢铁材料的 构件表面通过催化作用来进行
通入渗氮箱的NH3，经过工件表面而落入表面原子的引力场时，被钢件 表面所吸附→化学吸附
在化学吸附作用下，解离出的活性氮原子，被钢件表面吸收并渗入工件 表面
二、渗氮层的组织和性能 纯铁渗氮层的组织和性能 在520℃ 渗氮时，若表面氮原 子能充分吸收，则自表面→中 心依次为ε相→γ′相→α相
回火温度的选择应以最 有利于A′转变为原则
Note：不论采用哪种淬 火方法，渗碳件在最终 淬火后均应180～
3、两次淬火：在渗碳缓冷后进行两次加热淬火 200℃ 低温回火
第一次淬火加热温度 > Ac3
细化心部组织，消除表面网状碳化物
第二次淬火加热温度 > 渗碳层成分的Acl温度(780～820℃)
细化渗碳层中A晶粒→隐晶M+ A′+ 均匀分布的细粒状碳化物渗层组织 缺点：多次加热，生产周期长、成本高，↑热处理时的氧化、脱碳及变形 等 适用于对性能要求较高的零件
面含碳量控制在‾0.9%
➢一般认为表面粒状碳化物增多， 可↑表面耐磨性及接触疲劳强度
➢但碳化物数量过多，特别是呈粗 大网状或条块状分布时，将使冲 击韧性、疲劳强度等性能变坏
☻渗碳层的深度↑→承载接触应力↑。因为由接触应力引起的最大切应力发生 于距离表面的一定深度处。若渗层过浅，最大切应力发生于强度较低的非渗 碳层（即心部）组织→渗碳层塌陷剥落。但渗碳层深度↑→渗碳件Ak↓
金属表面溶入被渗元素的原子后，表面该种元素的浓度↑→表面与内部存在 着浓度差→发生原子迁移现象，即扩散
纯扩散与反应扩散
§11.2 钢的渗碳
一、渗碳的目的、分类及应用
最广泛
ห้องสมุดไป่ตู้
钢的渗碳是钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得 一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺
目的是使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强 度和弯曲疲劳强度。
2、反常组织：特征是在先共析渗碳体周围出现F层 常在钢中含氧量较高（如沸腾钢）的固体渗碳时看到 具有反常组织的钢经淬火后易出现软点 补救办法：适当↑淬火温度或适当延长淬火保温时间，使A均匀化，并 采用较快的淬火冷却速度
3、粗大网状碳化物组织 形成原因：由于渗碳剂活性太大，渗碳阶段温 度过高，扩散阶段温度过低及渗碳 时间过长引起
☻渗碳件心部的硬度，不仅影响渗碳件的静强度，同时也影响表面残余应力的 分布，从而影响弯曲疲劳强度。在一定渗碳层深度情况下，心部硬度↑→表 面残余压应力↓。渗碳件心部硬度过高↑→渗碳件Ak↓；心部硬度过低，则 承载时易于出现心部屈服和渗层剥落
五、渗碳缺陷及控制 1、黑色组织：含Cr、Mn及Si等合金元素的渗碳钢渗碳淬火后，在渗层表
例如渗C的相界面反应
主要过程
活性碳原子
钢表面渗碳碳原子的来源
气体渗氮时，通入氨气与钢表面产生相界面反应
活性氮原子
渗入钢件表面
化学热处理有时只有扩散过程，例如热浸 法渗金属时，把工件浸在熔融的金属中， 直接吸附金属原子并向内部扩散
二、化学热处理渗剂及其在化学热处理过程中的化学反应机制 渗剂：欲渗元素的物质 + 一定比例的催渗剂 渗剂的活性：在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力 例如普通气体渗氮不能用N2作为渗氮剂（在普通渗氮温度N2不能 分解出活性氮原子） 催化剂是促进含有被渗元素的物质分解或产生出活性原子的物质，它仅 是一种中间介质，本身不产生被渗无素的活性原子
钢 预冷的温度：稍高于心部成分的Ar3点，避免淬火后心部出现自由F
优点：减少加热、冷却次数，简化操作，减少变形及氧化脱碳
缺点：在较高渗碳温度停留较长→A晶粒↑
2、一次加热淬火：渗碳后缓冷，再次加热淬火
温度应根据工件要求 稍高于心部成分的Ac3点 心部要求强度较高
稍高于表面的Ac1
表面要求较高HRC和耐磨性
含ＮＭ(α′)是Ｎ在α-Fe中过饱和固溶体，具有体心正方晶格，与含碳 Ｍ类似
2、钢的渗氮过程：和其它化学热处理一样，也由五个交叉的过程所构成。 对气体渗氮来说，主要是渗剂中的扩散、界面反应及相变扩散 普通渗氮：常用氨气作为渗氮介质 NH3 在无催化剂时，分解活化能为377kJ/mol 在有铁、钨、镍等催化剂作用下，分解活化能约为167kJ/mol
而且合金元素的扩散又极缓慢，在较短时间内很难扩散重新分
布。一旦C浓度达到A饱和极限浓度→析出合金渗碳体
正常情况，渗碳层淬火后的组织从表面→心部依次为：M+A′+碳化物 →M+A′→M→心部组织
心部组织：完全淬火为低碳M 淬火温度较低的为M+游离F 淬透性较差的钢为T or S+ F
一般希望渗层浓度梯度平缓 为了得到良好的综合性能，表
滴注式渗剂的选择原则： ★应该具有较大的产气量：产气量高的渗碳剂，炉内装入新的工件时，可 以在较短时间内把空气尽快地排出 ★ 碳氧比>1： 碳氧比↑→析出的活性碳原子↑，渗碳能力↑ 当碳氧比=1 时，如甲醇( CH3OH )，高温分解产物主要是CO和H2，而 CO是一种极弱的渗碳气体→可选作稀释剂 ★ 碳当量：碳当量↑→物质的渗碳能力↓ 渗碳能力：丙酮＞异丙醇＞乙酸乙脂＞乙醇＞甲醇 ★ 气氛中CO和H2 成分的稳定性：用CO2红外仪或露点仪控制碳势 ★ 考虑原料的价格及其来源
最初：用煤油、焦苯作为渗碳剂直接滴入渗碳炉内进行渗碳
缺点：析出活性碳原子过多→不能全部被钢件表面吸收，在工件表面 沉积成碳黑、焦油等 →阻碍渗碳过程的继续进行→ 渗碳层深度及 碳浓度不均匀等
近年：发展了滴注式可控气氛渗碳（两种有机液体同时滴入炉内）
优点：无需特殊设备，只要对现有井式渗碳炉稍加改装，配上一套测量 控制仪表即可
预防补救办法：进行温度高于Acm的高温淬火 或正火
4、渗碳层深度不均匀 原因：原材料中带状组织严重 渗碳件表面局部结焦或沉积碳黑，炉气循环不均，零件表面有氧化膜或 不干净，炉温不均匀，零件在炉内放置不当等所造成
5、表层贫碳或脱碳： 原因：扩散期炉内气氛碳势过低，或高温出炉后在空气中缓冷时氧化脱碳 补救办法：在碳势较高的渗碳介质中进行补渗 在脱碳层＜0.02mm 时可以磨去或喷丸等
（HRC65～72) ，600℃仍可保持相当高的硬度 比渗碳更高的弯曲疲劳强度 渗氮温度较低（500～570℃）→变形很小 ↑工件的抗腐蚀性能 渗氮工艺过程较长，渗层也较薄，不能承受太大的接触应力
一、钢的渗氮原理 1、Fe–N状态图：研究钢的渗氮的基础，Fe-N系中可以形成五种相：
a相 ― 氮在a-Fe中的间隙固溶体，氮的最大溶解度为0.1%（590℃） g相 ― 氮在g-Fe中的间隙固溶体(>590℃), 共析点氮含量为2.35wt% g′相 ― 可变成分的间隙相, 晶体结构为氮原子有序地分布于Fe原子组成
适用于固体渗碳以及液体、气体渗碳的工件(特别是本质粗晶粒钢)，或
渗碳后不能直接淬火的零件
20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA等高合金渗碳钢零件：渗C后保留有大量A′ 为了↑渗碳层表面HRC，在一次淬火加热前应进行高温回火
640～680℃×68h回火→A′发生
分解，碳化物充 分析出和集聚
540℃×2h ×三次 回火 更能促进冷 却过程中的 A′→M转变
面组织沿晶界出现呈断续网状的黑色组织 原因：渗碳介质中的O向晶界扩散，形成Cr、Mn、Si等的氧化物 → 内氧化
氧化使晶界及附近的合金元素贫化，淬透性↓→淬火后出现非M组 织
预防办法：注意渗碳炉的 密封性能， ↓炉气中的含O量
补救措施：出现黑色组织时， 若深度≯0.02mm ， 可磨去或表面 喷丸处理
化学热处理时分解出被渗元素的活性原子的化学反应有如下几类： 1 、分解反应：普通气体渗碳及气体渗氮
例如用甲烷渗碳 2 ．置换反应：例如渗金属时，常按下列反应进行
3 ．还原反应：例如渗金属时有时按下列反应进行
三、化学热处理的吸附与扩散过程 相界面反应是和金属表面对渗剂的吸附过程紧密相关 一般固体表面对气相的吸附分成两类：物理吸附和化学吸附 吸附能力和工件表面活性有关 工件表面光洁度↓，吸附和吸收被渗原子的表面↑，活性↑ 工件表面愈新鲜（既没有氧化也没有被沾污→表面原子的自由键力 场完全暴露，↑捕获被渗元素分子的能力）→↑表面活性
渗剂耗量 温度和时间 最佳工艺规范的获得
三、渗碳后的热处理
1、直接淬火：工件渗碳后，预冷到一定温度，然后立即进行淬火冷却
本
这种方法一般适用于气体渗碳或液体渗碳
质
固体渗碳时，由于工件装箱，出炉、开箱比较困难→不用
细 淬火前的预冷可以随炉降温或出炉冷却 晶 粒 预冷的目的：使工件与淬火介质的温度差↓，↓应力与变形
例如低碳钢：表面渗碳 + 淬火 工件表面具有高HRC、高耐磨性 心部具有良好塑性和韧性
高速钢刀具：热处理后，再进行软氮化或离子渗氮，可进一步↑耐磨性 和抗腐蚀性能→↑刀具使用寿命
§11.1 化学热处理基本原理
一、化学热处理的基本过程
交叉进行
渗剂中的反应+扩散、渗剂与被渗金属表面的界面反应以及被渗元素原子的 扩散和扩散过程中相变等过程
CO2含量↑→炉气碳势↓ 相同温度和CO2含量条件下：不同钢材的碳势不同 不同渗碳温度：同一CO2含量所得碳势不同。炉温↑→碳势↓
2、吸热式渗碳气氛渗碳: 吸热式气氛 + 富化气的混合气 碳势控制：调节富化气的添加量，一般常用丙烷作富化气 需要特设的气体发生设备 →适用于大批生产的连续作业炉
3、渗碳工艺规范的选择：如何以最快速度、最经济的效果获得合乎要求的 渗碳层
缺点：多数盐浴有毒！！
气体渗碳是工件在气体介质中进行碳的渗入过程的方法 渗碳气体可 用碳氢化合物有机液体：如煤油、丙酮等直接滴人炉内汽化
事先制备好的一定成分气体通入炉内
吸热式气氛渗碳 氮基气氛渗碳
滴注法渗碳
分解出活性碳原 子渗入工件表面
二、气体渗碳工艺原理 1、滴注式可控气氛渗碳原理
一种气体碳势较低→稀释气 另一种气体碳势较高→ 富化气
的面心立方晶格的间隙位置, 氮含量为5.7~6.1wt%。当 N=5.9%时化合物结构为Fe4N 。因此， g′相是以Fe4N为基的固 溶体, 在680℃ 以上发生分解并溶于ε相
ε相― 含N量很宽的化合物，晶体结构为在由 Fe原子组成的密集六方晶格的间隙位 置上分布着氮原子。在一般渗氮温度 下，ε相的含N量为8.25～11.0％。因 此它是以Fe3N为基的固溶体。
ξ相 ― 为斜方晶格的间隙化合物，N原子有序 地分布于间隙位置。也可认为是ε相的 扭曲变体（六方晶格），N=11.0～ 11.35％，分子式为 Fe2N。稳定温度 ≤450℃，>450℃ 发生分解
两个共析转变温度：在650℃，ε → γ ＋ γ′ 590℃，γ → α + γ′
其中：γ相为含氮A，当从高于590℃的温度迅速冷却时将发生M转变，其转 变机理和含CＡ的Ｍ转变一样