钢的化学热处理

但必需采用细晶粒钢、高温渗碳钢、或渗碳后再
经循环热处理细化晶粒。
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⑶ 渗碳时间
渗层深度和渗碳温度确定后，所需的渗碳时间可
根据Harris公式进行近似计算。
(mm) 660 e

8287 T
式中，t——时间(h)
t
T——温度(K)
对几种常用渗碳温度的层深计算公式可简化为：
870℃， (mm) 0.457 t 900℃， (mm) 0.533 t 925℃， (mm) 0.635 t
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由液体渗碳的以上反应可以看出：
① 渗碳反应仍然是钢件表面的气相反应；
② 原材料虽然无毒，但反应的结果仍然使盐浴中
含有约0.5％的NaCN； ③ 盐浴还具有一定的渗氮功能。
加热速度快 优 点 生产效率高
易腐蚀工件 缺 点
碳势调整幅度小 且不易控制 劳动条件差等等
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加热均匀
便于直接淬火
㈣ 渗碳后的热处理 过共析组织(P+Fe3CⅡ)
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。
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。
氮共渗、渗硼和渗铝等。
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11.2 钢的渗碳
渗碳：就是将钢件臵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。 气体渗碳
最常用
碳势可控 生产效率高 劳动条件好 便于直接淬火等
渗碳 种类
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ固体渗碳
常用
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
化学热处理同 时改变钢件表 层的化学成分 与组织
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。
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
等5种气体；
其中CO和CH4起渗碳作用，其余的起脱碳作用。
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在渗碳炉中，与渗碳有关的最主要反应有如下四个 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；
渗碳中
渗碳后
根据炉型选取适当的热处理方式进 行热处理，以获得预期的性能。
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气氛的碳势
渗碳工艺参数
渗碳的温度
渗碳的时间
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⑴ 气氛碳势的选择与控制
从统计资料看，一般渗碳件的表面碳含量可在
0.6～1.1％之间变化。
确定最佳表面含碳量的依据 其次是渗碳层具 有最高的耐磨性 和抗磨损疲劳性 能 渗碳层中具有适量 的碳化物存在
Ф——渗层深度因子， 与渗碳温度具有 一定的关系 t——扩散进行的时间
因此，此式也就成为根据渗碳温度和渗层深度来确 定渗碳时间的依据。
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⑷ 钢中合金元素对渗碳过程的影响 ① 对表面碳浓度的影响 凡是碳化物形成元素如Ti、Cr、Mo、W及含量大于 1％的V、Nb等，都增加渗层表面碳浓度；
凡是非碳化物形成元素如 Si 、 Ni 、 Al 等，都降低渗
消除网状 渗碳体和 减少残A
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渗碳零件的淬火温度选择 要兼顾高碳的渗层和低碳的心部两方面的要求。
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Ac3 如果Accm﹥Ac3，就很容易选择一个淬火温度来同 时满足这两者的要求；
如果Accm﹤Ac3，则很难两者同时兼顾，在这种情
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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
钢件周围的介 质分解，以形 成渗入元素的 活性原子
吸收
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
扩散
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
不适于浅渗碳层零件生产； 表面碳含量很难精确控制； 缺点 渗碳后不能直接淬火； 渗碳时间长，劳动条件差。
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⑵ 液体渗碳
液体渗碳就是在液体介质中进行的渗碳。 有氰化物的盐浴 无氰化物的盐浴
加热介质为 NaCl 和 KCl ，催渗剂为 Na2CO3，供碳介质为尿素和木炭粉
在无氰化物的盐浴中，渗碳的反应如下：
如开裂倾向较小；处理
具有较好的工艺性
温度范围较宽；对冷 却 介质的敏感性较小等等
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廉价的钢材经化学热处理后可
经济效果好
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。
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
但温度过高会引起奥氏体晶粒长大，降低零件的
力学性能，增加零件畸变，降低设备使用寿命。
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通常渗碳的温度的选择视要求的渗层深度确定： 如δ＝0.3～0.6mm，可选为880±10℃； δ＝0.6～0.8mm，可选用900±10℃； δ＝0.8～1.2mm或以上，选用920±10℃。 有的要求深层渗碳或缩短渗碳周期，可采用 1030～1050℃；
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因渗碳箱中的氧气是有限的，因此通过 2C+O2→2CO
来获得CO的量是有限的。 而加入的催渗剂在高温下会发生分解，放出的CO2
与木炭发生反应生成大量的CO，CO在钢件表面分
解，从而提供活性碳原子。
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固体渗碳的优缺点
适用于各种零件，尤其是小批量生产
优点 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
钢的化学热处理
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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：是将钢件臵于特定的活性介质
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、 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。
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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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。 扩散的驱动力是工件表面与心部的碳浓度梯度。 碳在铁中形成的是间隙式固溶体，其扩散系数比形 成臵换式固溶体的合金元素要大很多。碳在γ-Fe中 的扩散系数为:
渗 碳 层 的 组 织
共析组织(P) 过渡区亚共析组织(P+F) 原始亚共析组织(F+P)
上述组织显然不能满足要求。渗碳后必须进行热处理，即 进行淬火和回火，对某些钢种还包括冷处理。 39
工件渗碳后热处理的目的 提高渗层表面 的强度、硬度 和耐磨性 ⑴ 渗碳后的淬火
提高心部 的强度和 韧性
细化 晶粒
层表面碳浓度。 ② 对渗层深度的影响 主要是通过对碳的扩散系数和渗层表面碳浓度的影 响来实现的。通常地， Mn、 Cr、 Mo 能略微增加渗
层的深度，而W、Ni、Si等则减小渗层的深度。
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㈡ 渗碳工艺参数
除去表面油污、锈斑或其它脏物； 渗碳前 对不需要渗碳的局部加以防护； 零件在料盘内必须均匀放臵。 控制气氛的碳势、温度和时间，以 保证技术条件规定的表面碳含量、 渗层深度和较平缓的碳浓度梯度。
在表面形成减 磨、抗粘结薄 膜
在表面同时形 成高硬层与抗 粘或减磨薄膜
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
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
D (0.04 0.08 C %) exp(31350 ( RT )) 或D (0.07 0.06 C %) exp(32000 ( RT ))
可见，温度和碳浓度都影响碳的扩散系数。
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间隙原子的扩散服从 Fick第二定律，由该定律可以
有下面一个关系式：
d＝ t
式中，d——渗碳层的深度
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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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
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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即任何几何形状复杂的工 不受工件几何 形状的限制 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
一般地，由于扩散缓慢，渗碳时间不需精确控制。
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⑷ 工艺参数的综合选择
由于各参数间相互影响较大，同时为了缩短渗碳
的总时间，通常对各参数进行综合调节：
升温阶段 高速渗碳阶段
采用低碳势
在正常温度或更高温度下采用高于 所需表面碳含量的碳势，时间较长 在正常渗碳温度下采用与所需表面 碳含量相等的碳势，时间较短 使温度降到淬火温度，便于直接淬 火处理。 33
扩散阶段
预冷阶段
㈢ 固体渗碳和液体渗碳简介 ⑴ 固体渗碳 固体渗碳是将工件和固体
渗碳剂装入渗碳箱中，用
盖子和耐火泥封好，然后 放在炉中加热至 900 ～ 950 ℃，保温足够长时间，得 到一定厚度的渗碳层。
固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与 10%左右的碳酸
盐（ BaCO3 或 Na2CO3 ）的混合物。木炭提供渗碳所需 要的活性碳原子，碳酸盐起催化作用。
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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
远远强于电镀等 表面涂覆技术所
原始 成分 的钢
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 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
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。
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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
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。 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。
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。
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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
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首先是获得最高 的表面硬度 与钢的成分 密切相关
渗碳零件表面碳含量低， 淬火后低温回火所得到的 硬度低，耐磨性差； 零件表面含碳量过高，渗 碳层出现大量块状或网状 的碳化物，使脆性增加，
易在承受冲击负荷时剥落 ;
因此，表面层含碳量最好
在0.85～1.05％范围内。
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⑵ 渗碳温度
渗碳温度是渗碳工艺中最重要的一个因素，它影 响着分解反应的平衡、碳的扩散、还影响着钢中 的组织转变。 由于奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳温度必须 高于Ac3温度。 渗碳温度常用 920 ～ 940℃ ，温度愈高，渗速愈快， 渗层愈深。