钢的热处理 西北工业大学 第9章 钢的化学热处理讲解

CO、CO2、15s CH4
O2
0.5~2s
±1.5%℃ ±1%℃
±1%℃
2、吸收
CO分别被吸附（化学）在Fe原子 上→C-O键破坏→[C]进入Fe晶格
吸收条件
表面清洁 炉气循环→抽去吸收后残留的废气 控制分解速率→避免炭黑出现
3、扩散
Fick第二定律粗略描述各点浓度、浓度梯度随 时间变化的情况
（2）渗碳温度 通常880~920℃，薄层渗碳→温度可以降
低，快速渗碳→提高渗碳温度 温度对扩散、分解均有影响，提高温度→
缩短渗碳时间→效率提高 提高温度→渗层增加 温度过高→粗晶；变形；设备寿命缩短 A状态渗碳容易
（3）渗碳时间
根据经验确定，随炉抽样检查
经验估算
渗层<0.5mm，渗碳速度按照 0.15~0.25mm /h
脱碳气氛： CO2、H2、H2O
碳 势（cp）
定义： 炉气C%与工件表面化学反应达 到平衡时的炉气状态。即保持不增碳也 不减碳时炉气中的C%
Cp↑→渗碳能力↑→ 表面C%↑、渗层↑ 但是当Cp 太高→ 炭黑→ 渗速↓
CO、CH4% → Cp↑
分解反应（180多个）
炉气与工件 气体之间 主要4种反应 温度一定、吸
化合物） 2、保护表面 渗Al →抗氧化、抗S腐蚀 渗Cr →耐热、抗腐蚀 化合物气相沉积TiN →与基体金属无关
的覆盖层→装饰、耐磨
分类
按渗入元素的性质分为
渗非金属包括渗碳、渗氮、渗硼和多种非 金属元素共渗，如碳氮共渗、氮碳共渗、 硫氮共渗、硫氮碳(硫氰)共渗等；
渗金属主要有渗铝、渗铬、渗锌，钛、铌、 钽、钒、钨等
渗层0.5~1.5mm，渗碳速度按照 0.1~0.2mm /h
渗层>1.5mm，渗碳速度按照 0.05~0.12mm /h
二者相伴发生
3、扩散
目的：保证获得一定深度的渗层 控制参数
介质浓度梯度 热处理渗入温度 工艺时间
§2 钢的渗碳
目的
表层高耐磨性，而心部好的韧性
表层疲劳性能提高 渗C种类
为什么?
气体渗C
固体渗C
液体渗C
一、气体渗碳原理
1、渗碳介质分解 渗剂
➢ 气体渗剂：载气（N基气氛；吸热式或放 热式可控气体）+富化气（甲烷、丙烷等）
第九章 钢的化学热处理
掌握气体渗碳工艺 掌握渗碳后的热处理 掌握渗碳热处理常见缺陷 掌握渗碳后钢的力学性能 掌握气体氮化原理 掌握氮化述
一、定义：工件→活性待渗介质中→加热 →扩散→改变表层化学成分的工艺
二、作用及分类 1、强化表面→高的耐磨性（形成固溶体或
2、吸附
吸附：金属表面自发地吸附周围活性原子、 分子、离子的现象
表面吸附→溶入基体 或与金属反应→化合物→再溶解→扩散
物理吸附：无电子转移和化学键形成→凝 聚不解离；由分子间力引起；无选择性吸 附；较低温度下发生，完全可逆
化学吸附：选择性吸附；有电子转移和化 学键形成；高温下发生；选择性吸附
1、工艺流程
材料：低碳钢或低碳合金钢 预备热处理? 渗碳前准备
去油、去垢、清洗（热水或碳酸钠水溶 液） → 烘干→涂防渗剂、装炉布置→确 定温度、时间、碳势→保证表面C%、层 深、浓度梯度 渗碳后工序
直接淬火或重新加热淬火→低温回火
2、渗碳工艺参数
（1）碳势 根据经验确定→通常表面为0.8~1.0% →好
★吸热式气体：天然气与空气按一定比例混 合，CO、N2、H2%大
➢ 液体渗剂：C、H化合物有机液体（煤油、 甲醇、苯、丙酮）
炉气组成
主要组成 CO、CO2、CH4、H2、H2O、N2 ， 能否渗碳取决于它们的综合作用
增碳气氛： CO 、CH4 分解获得 ：2CO → CO2+ [C] CH4 →[C]+2H2
氧探头
原理：O2 ↑ → CO2 ↑、H2O ↑ →cp↓ ZrO氧敏陶瓷管内、外氧%不同（内为参比气、
外为炉气） →氧浓差电势→调控
（5）控制碳势的方法
称重法：精密天平测量渗碳前、后的重 量变化
综上：多参数控制精度高，碳势仪性能
分析对象 反应时间 精度
露点仪 红外仪
氧探头
H2O
3~4min
金属与非金属元素的二元或多元共渗工艺 也不断涌现，例如铝硅共渗、硼铬共渗等。
三、特 点
周期长，成本高 工艺不受零件形状限制（孔、槽容
易获得渗层） 可以代替贵重金属（节约资源） 截面具有不同的性能 是表面合金化与热处理结合的方法
四、化学热处理基本过程
渗剂：由含有欲渗元素的物质组成，有时 还须按一定比例加入一种催渗剂，以便从 渗剂中分解出含有被渗元素的活性物质 （初生的原子）
催化剂：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，本身不产生被渗元素的活性原子
1、化学介质分解
目的：提供活性原子(初生、原子态的原子) 要求：渗剂中含待渗元素
催化剂 活性原子浓度足够
活性原子形成方式
置换（渗金属）；还原（渗B）；热分解 （渗C、N）；电离（离子氮化）
热气氛中H2O ↑ →CO2 ↑ →cp ↓
在一个体系中,相互制约,只有一个CO%
平衡常数与成分的分压有关 平衡常数与温度有关
（5）控制碳势的方法
露点仪（氯点仪）
露点：水结露的温度，水%↑ →露点↑ →cp ↓ 原理：LiCl盐感湿元件吸水→导电性↑ →控制系
统通电→水蒸发
CO2红外仪 原理：CO2选择性吸收4.3μm红外线→红外线 强度↓ →调节装置控制
温度、时间影响渗层深度d，深度d与时间的 平方根成正比
影响扩散的主要因素
间隙原子扩散系数>置换原子 温度↑→扩散系数↑（925 → 1100℃ → 提高6倍） 浓度梯度大→扩散↑，但分布要合理→平缓、连
续
合金元素会影响渗速（或快、或慢），碳化物形 成元素→扩散快
晶界、形变→加快渗速
二、气体渗碳
1） 分解反应 普通气体渗碳及气体渗氮都属于这一类。
例如用甲烷渗碳: CH4＝2H2十[C] 2） 置换反应 例如渗金属时，常按下列反应进行（Me金属代号）
MeCIx+Fe—→FeCl3+Me （钢表面沉积出金属） 3）还原反应 例如渗金属时有时按下列反应进行：
MeCIx+H2—→FeCl3+Me