可控气氛

N2/甲醇（CH3OH）气氛：


经热分解： CH3OH——CO＋2H2 高于800°C分解很快，炉中形成平衡气体状态
工业上采用天然气、丙烷、丙酮、异丙醇，
乙醇、丁烷、柴油、煤油等；
气体或液体形式。
32
直生式渗碳系统的工作方式
整个处理时间，向炉中注入一定量的气体燃料； 碳势通过注入炉中的空气量来控制，减少空气流
A:提高丙烷气体流速和产生脉动的丙烷气压有
所改善， 采用乙炔能获得较高碳势，渗碳层均匀，适宜 复杂形状零件，消除炭黑及焦油的产生。
41
真空低压乙炔渗碳
900~1000℃，P≤2×103Pa条件下，分解： 甲烷： CH4=CH4


丙烷：
C3H8=C+2CH4 C3H8=C2H4+CH4 C3H8=C2H2+H2+CH4=2C+CH4+2H2
限制：炉温高于800℃
34
渗碳新技术
低压渗碳技术 真空低压乙炔渗碳 高温渗碳
35
低压渗碳表面碳浓度
表面碳浓度与渗碳时间的关系
36
低压渗碳+淬火工艺
700℃以平稳的逐步对流加热至930
℃，减少
变形； 脉冲渗碳达到2×103Pa丙烷，减少渗碳时间 ，使表面的深度、孔、不通孔及齿轮均匀化； 扩散周期中表面碳含量减少； 降低淬火温度减少变形； 均匀化和奥氏体化； 氮气压力为1.5×106Pa高压气淬，减少变形 ； 37
18
深层渗氮
32Cr3MoVE钢深层渗氮(三段式气体渗氮）
深层渗氮工艺
19
深层渗氮层的硬度及残余应力
渗氮－渗碳层硬度梯度
渗层残余应力分布（磨削后）
20
离子渗氮
优点：
无须预除钝化膜即可对不锈钢进行气体渗氮； 渗氮层组织和相组成可以控制,；
渗层脆性小、质量好,可显著提高渗氮速度,其处理周
0. 4～0. 5 0. 30～0. 35
45～50 10～14
490～510 ℃渗氮
0. 30～0. 35
25～25 30
高温渗氮

渗氮工艺方面的研究开发转向600 ～750 ℃温度区间。
650 ℃以下时,随处理温度的升高,化合物层厚度迅速增 加; 650 ℃以上时,随着温度升高,化合物层厚度减少。 在600～700 ℃渗氮,除得到化合物层、扩散层外,还会得 到奥氏体层。含氮奥氏体是这一温度的特有相,在冷却 时转变为马氏体或贝氏体,硬度可达800 HV以上。 高硬度马氏体层与化合物层相配合,有利于提高零件的 耐磨性。 26

用于低碳钢退火、正火、淬火、回火；铜的退火、 钎焊及烧结保护等； 液化石油气制备。
12

净化放热式气氛
典型成分（体积%）为： 淡型:
CO 1.7~1.8%, H2 0.9~1.4%，N2 其余; 浓型: CO 10.5~11.2%,H2 8.3~13.4%,N2 其余
用于渗碳、碳氮共渗载气、钢件退火、正火、
主要的可控气氛
按原料分类： 碳氢化合物 吸热式气氛 放热式气氛 净化放热式气氛 空气制氮的氨基气氛 液氨制备的气氛 有机液体的滴注式气氛
6
主要保护气氛的成分和露点
气氛的类别及标识 CO
成分%
露点 H2 N2
CO2
放热型气体（浓）DX 吸热型气体RX 净化的氨基气体 单组分气体NX 分解氨AX


增压气体渗氮

氨气在炉内的反应式为：

Fe[N]为氮在铁中的固溶体。氮在固溶体中的活度（αN）与炉气中的NH3 的分压（PNH3）与H2的分压（PH2）存在以下关系（K 平衡常数）：

氨分解是体积增加的过程，随着炉压提高，NH3 分解率降低，同时H2的 分压降低， NH3 的分压增大，根据式2可知αN随之提高。提高炉压，可 降低氨的分解率，能有效降低氨的消耗量，能节约氨气20~30% 。 增大炉压可以明显缩短渗氮时间；但炉压应保持在合理的范围内 正压并大于53kPa 的低压范围内，炉压的变化对渗氮时间的影响不明显 27 ，而在小于27kPa时，渗氮速度骤然下降。
3

基本原理

分解：渗剂中生成能渗入工件表面的活性原 子的反应。 吸附：活性的原子（或离子）于表面金属的 原子产生键合而浸入其表层。 扩散：工件表面吸附活性原子（或离子）后 ，其表面浓度与内部形成浓度梯度，满足扩 散条件，渗入的元素相内部迁移形成一定厚 度的扩散层。
4
可控气氛热处理目的
5



液氨制备的气氛：
氨燃烧气氛：
H2 1.0~20%,N2 余量. 不锈钢、电工钢、低碳钢的光亮退火、淬火、渗碳、碳氮共渗载气。



氨分解气氛：
H2 75%,N2 25%. 不锈钢、硅钢的退火等
14
特殊气氛
有机液体的滴注式气氛： 典型成分（体积%）为：
CO 33.0%, CO2 0.1~1.0%，H2 66.0%，CH4<1.5% 有机液体：甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、醋酸 乙酯等 用于钢件的淬火、渗碳、碳氮共渗载气。
30
直生式渗碳技术
直接用固定流量的碳氢气体注入炉中; 主要组分：CO,
H2 和CH4
主要组分达不到热力学平衡，但当气氛存在某
个稳定的平衡状态，则有确定的碳活度，即使 CH4含量较高，碳的传输仍受CO反应控制： COCOad[C]+Oad
即碳活度可以用平衡方程确定
31
直生式渗碳气氛的产生
期约为气体渗氮的1 /3～1 /5。
Q：
由于工件棱角、平面处接受离子撞击的概率不同 ,致
使棱角、平面处温度不一致； 温度场均匀性和检测温度的可靠性较差； 工件要有一定批量。
21
离子渗氮改进
当前采用外热式加热,首先将炉内温度加热达
到400 ℃左右,再由离子轰击达到最终工艺温度 ,可较为有效地改善炉温均匀性。 先离子渗氮、后气体渗氮,充分利用离子渗氮 的优势,在渗氮前期更快地使氮原子渗入工件 中,后期则采用气体渗氮,调整渗层组织,实现渗 层优化。 金属活性屏作为炉子阴极,完全可避免弧光和 空心阴极放电损坏零件
22
循环变温离子渗氮
45钢循环渗碳工艺

周期性的渗氮+时效,使ε→α″+ Fe3 C,形成α″通 道和若干缺陷界面,有利于提高N的扩散速度
23
稀土催渗渗氮

大半径的稀土原子在完整晶体内部形成含稀土的固溶体,其 周围的Fe点阵发生畸变,间隙原子C、N等将在畸变区偏聚 形成气团,当N原子挣脱气团后将沿这个特殊通道向前快速 扩散,从而提高了扩散系数。 稀土的存在使铁原子晶格畸变加剧,相对于晶格内部,氮原子 在该处的扩散系数要高得多,大量弥散、细小的氮化物和畸 变区的存在,增加了氮的扩散通道,加速了渗氮过程 。 添加稀土元素后,离子渗氮过程中表面氮浓度为一变量,且随 时间延长而增加,表面相结构由渗氮2h的单一ε相逐渐转变 为ε和γ′双相,当渗氮时间超过4 h时,化合物层生长明显加速 。与未添加稀土元素者比较,经7 h脉冲稀土离子渗氮后化合 物层增加45%。 24
可控气氛热处理
1
化学热处理的工艺方法
2
可控气氛热处理概述

为防止氧化、脱碳等缺陷，将热处理炉中充入中 性气氛或还原气氛等，对工件进行保护加热处理 ，或同时进行渗碳、渗氮、碳氮共渗等化学热处 理，称为可控气氛热处理。 将工件放在含有渗入元素的活性气体介质中， 加 热到一定的温度后进行保温，利用固态扩散使渗 入元素被吸附并扩散到表面层，改变表面层的化 学成分，从而使工件表面层的组织结构和性能发 生变化。
用于渗碳、碳氮共渗载体气，淬火。
11
放热式气氛

典型成分（体积%）为：
淡型:
CO 1.5%, CO2 10.5~12.8%, H2 0.8~1.2%， CH40%，N2 其余; 浓型: CO 10.2~11.1%,CO2 5.0~7.3%， H2 6.7~12.5%，CH40.5%，N2 其余。

炉压对渗氮过程的影响
提高炉压可以增加零件表面氮原子的吸附量 提高炉压可以提高氨气的活度 提高炉压可以提高界面反应速率 增高炉压可以提高对狭缝、深孔等的渗氮能力
28
增压气体渗氮应用与分析
29
增压气体渗氮工艺影响因素



第一段温度在500～ 530 ℃ 吸附量与温度成反比但温度 过低不利于活性氮原子的界 面反应, 生成ε及γ’相。 第一段保温时间不用太长, 只要形成一定厚度的高氮化 合物层, 就足以保证氮原子 向α基体中的扩散。 随第二段温度的提高, 其平 均渗速提高。说明了扩散速 度主要决定于温度。但当超 过560℃长时间保温会使ε相 分解, 表面硬度下降。
淬火、回火等；
丙烷、丁烷制备。
13
氨基气氛


空气制氮的氨基气氛：
典型成分（体积%）： CO 7.5~10%, CO2 0.11~0.19%, H2 15.0~20.0%，CH40.3%，N2 余量 用于渗碳、碳氮共渗、渗氮、钢件退火、正火、淬火、回火； 钎焊及烧结保护等； 氮气+甲醇（CH3OH）制备。

10
吸热式气氛
采用天然气及丙烷制备：
2CH4 +O2=CO+4H2
典型成分：CO
10%， CO2 0.1%， H2 40%， CH40.5%， N2 40%，H2O 0.2% 2C3H8+3O2=6CO + 8H2 典型成分：CO 23.7%， CO2 0.1~1.0%， H2 31.6%，CH4<1%， N2 44.7%，

乙烯：C2H4=C+CH4 乙炔：C2H2=2C+H2


稀土催渗渗氮
材料 工艺 层深mm 所需时间h
50CrVA钢
稀土渗氮460 ℃
～0. 33
8
渗氮460 ℃ 38CrMoAl钢 (挤压筒及螺杆) 540～570 ℃稀土渗氮
0. 25 0. 4～0. 5
8 20～24
渗氮500 ℃ 38Cr2MoA、25Cr2MoV 钢 (汽轮机、锅炉抗蚀耐磨零件) 570 ℃稀土渗氮
14NiCr14钢的低压渗碳
渗碳扩散时间与渗碳深度、表面含碳量的关系
38
15CrNi6低压渗碳层性能
曲轴的硬度分布
39
14NiCr14钢的低压渗碳
300kg批料（4.5m2）14NiCr14试样的硬度分布
40
真空低压乙炔渗碳
Q:低压或真空渗碳主要的渗碳剂丙烷在温度高
于600℃时易分解成碳、氢及甲烷，使零件表 面产生炭黑及焦油。
量则提高碳势。
液体燃料系统是在燃料注入炉中以前，
经过安 装在炉定的蒸发器， 空气加入蒸发器，产生蒸 气（燃料气－载气）/空气的混合气进入炉子。
33
要求炉子加热能力及气体循环能力较好。
直生式渗碳特点
优点：
炉子调控时间短
碳势变化迅速、灵活
渗碳均匀 碳的传递速率较高 气氛生成的成本低廉
4~12 15~25
1~5 0
4~8 0.5
0.1 0
4~15 30~60
1~5 75
来自百度文库余量 余量
余量 25
-10/+20 -15/+5
-30 -30
7
主要保护气的来源及应用
气氛的类型 放热型气体DX 基本燃料 使用范围 丙烷，丁烷，油，天 铁基金属光亮退火，浓 然气 有色金属，淡 电机和变压器硅钢片的脱碳 硬钎焊烧结 丙烷，丁烷，天然气 渗碳 退火，淬火，普通烧结，无脱碳的 硬材料烧结 丙烷，丁烷，天然气 黑心可锻铸铁的退火， 油 无脱碳退火，低温退火， 炉子净化
15
可控气氛渗氮
渗氮是在含有氮原子的气体介质中，
将工件 加热到一定温度后，钢的表面被碳原子渗入的 一种工艺。 工艺较复杂、时间长、成本高， 应用于耐磨 、耐蚀和精度要求高的耐磨件。
渗氮的渗层结构
16
钢中渗氮层的结构
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渗氮工艺分类
低温渗氮：
600°C以下 高温渗氮： 600－1200°C 分段渗氮：分别在较低温度剂及较高温度进行阶 段式淬火。 催渗渗氮：添加起催渗作用的物质加速扩散。 渗氮新工艺：电接触加热渗氮、磁场加速渗氮、 超声波渗氮、等离子渗氮等。
吸热型气体RX
净化的氨基气体 单组分气体NX
氨基气体AX
氨（利用分解过程） 合金钢的退火和硬钎焊（存在Cr， Al， Si）
8
工业使用率的统计

放热气氛25%
吸热气氛25% 净化的氮基或单组分气体气氛30% 分解氨气氛12%




其他气氛8%
9
吸热式气氛

气氛组成：CO、CO2、N2、H2O、H2 碳氢气和空气的比例应使有足够的氧形成一氧化碳 和氢而不足以形成二氧化碳及水蒸气。 氧化反应本质是吸热的，燃烧过程只能借助于外部 加热来维持，氧化过程释放的热不足以维持反应。