热处理工艺化学热处理
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应用：
活塞销 (20Cr )
柴油机曲轴
适用于承受磨损，交变接触应力或弯曲应力 和冲击载荷的机器零件
如：轴，活塞销、齿轮、凸轮轴
汽车、拖拉机、起重、坦克等设备中零件
80%以上
5-3 钢的渗C
渗C方法分类 依渗C剂 聚集状态 渗C方法可分为： 固体渗C、 液体渗C、 气体渗C（和特殊渗C）
✓固体渗C
➢ 介质状态：固体法；气体法；液体法。
5-2 化学热处理基本原理
一、基本过程：
1、分解 渗剂中的反应
2、吸收 相界面反应—吸附与解吸附反应。
3、扩散 （1）金属工件中的内扩散
含活性原 子的渗剂
（2）金属中的反应
钢
渗剂分解 释放活性原子
活性原子在工 件表面吸附
交 钢叉
进 行
活性原子由表 面向心部扩散
➢ 吸附的[C]侵入铁的晶格而溶于Fe中
FeCO(吸附)+CO(气)→Fe[C](吸附)+CO2(气)
5-2 化学热处理基本原理
渗N：化学吸附作用削弱N-H键。活性[N]一 部分被工件表面吸收，一部分以N2溢出。
Fe+3NH3→Fe(NH3) 吸 → Fe(NH) 吸 +Fe-2[H] 吸 →Fe[N]+3H2↑+N2↑
热处理原理及工艺
(21)
思考
1. 表面淬火 用途 ，常用方法，工序安排 2. 集肤效应
第五章 化学热处理
Chemistry heat treatment
第五章 化学热处理
5-1 概述 1、定义：特定介质中加热、保温，
使介质中某些元素渗入工件以改变 其表层化学成份和组织→改变性能 2、目的：使表层和心部获得不同的组 织性能。
第五章 化学热处理
5-3 钢的渗C（carburizing） 一、目的、分类及应用 定义—钢件 渗C介质 加热和保温， 表面含C量 和一定C浓度梯度
应用最广泛的一种化学热处理工艺。 目的：
✓ 高的表面硬度（HRC58~63），耐磨性 ✓ 高的接触σ-１，弯曲σ-1 ✓ 高的冲击韧性等。
5-3 钢的渗C
2h 1.5h 1h 0.5h
T
5-2 化学热处理基本原理 扩散控制型渗层深度：
f (T, )
T对δ的影响远比τ对δ的影响强烈。
(c) 表面浓度Cs越高，浓度梯度大，在相同T， τ，渗层越深。
5-2 化学热处理基本原理
※（２）第二种情况，混合控制型
表面不能马上达到平衡浓度。渗 层的增长速度取决于：
(a) 渗层深度与扩散时间的关系
2 K1
1100 ℃ 1000 ℃ 950 ℃ 900 ℃
δ渗层厚度，τ扩散时间，K1为常数
τ 渗层深度与扩散时间的关系
5-2 化学热处理基本原理
δ
(b)渗层深度与温度的关系
2
Q
K 2e RT
Q为被渗元素扩散激活能， R气体常数，T绝对温度。 δ与T成指数关系，T大，δ大。
源自文库
α
表
γ
心
5-2 化学热处理基本原理
2）生成化合物的反应扩散 钢中渗N→形成ε相N化物。
渗B→Fe2B或FeB 渗C→C化物，析出，C化物与 A二相共 存，随C%↑，C化物数量↑。
5-2 化学热处理基本原理
3. 扩散对化学热处理过程的影响
（１）扩散控制型
（界面反应速度快）
δ
通过热力学关系推算可得：
散，无相变。
C％
➢C、N、B与Fe形成间隙固溶体 ➢Cr、Al、Si等与Fe形成置换固溶体
5-2 化学热处理基本原理 T
2、反应扩散：有相变或形成化合物 α
1）发生相变-- 如1050℃， 钢中渗Cr
含碳量
Cr 扩大α相区
最初渗入γ-Fe中→→达到Cr在γ-Fe中极限溶解度 →→表面发生γ→α相变，Fe表面出现α相→→随扩 散进行，Cr%↑，α相长大，界面向内部推移。
渗剂：固体碳 粒：木炭 （70~90%）+ 催渗剂：碳酸 钠/BaCO3
固体渗碳示意图
+
加热炉 泥封 密封箱 工件
固体渗 碳剂
-
•在渗C T加热渗C（930℃，3～14h(0.4～1.4mm ) •单件、小批量
界面反应速度
金属中该元素的扩散速度
5-2 化学热处理基本原理
五、加速化学热处理过程方法 1）化学催渗
加入催渗剂 ↑渗入元素的渗入能力 如：气体N化时＋TiCl4→Cl2↑，活化工件表面， 加速渗N过程。 2）物理催渗法 ①T↑→ ↑吸附 扩散 ②真空 → 表面净化， ↑ ↑吸附 ③离子轰击，如离子渗N，渗C等
5-2 化学热处理基本原理
四、工件表层中的扩散过程 扩散： 原子 由 高浓度→低 转移 扩散分类:
纯扩散（如渗C） 反应扩散（如渗N）
5-2 化学热处理基本原理
T/ ℃
1、纯扩散—
930℃
形成连续固溶体, 无相变或
γ
化合物的形成和分解。
例如 20钢，930℃，渗C
整个渗C过程中，只发生C在A中扩 Fe 0.9～1.0 1.2
5-2 化学热处理基本原理
吸附分为两类:
物理吸附：凝聚作用，快，固体晶体与气体分子无电子 转移和化学键生成。多分子层 ; T↑，解析
化学吸附：电子转移，生成化学键。单分子层。T↑，吸
附大。
化学热处理
影响化学吸附因素： ① 温度 ② 表面光洁度差，吸附表面大，活性大。 ③无氧化、污染，则表面原子的自由键力场完全暴露， 表面活性大。
5-2 化学热处理基本原理
二、渗剂分解过程 分解反应：
热裂解 如 CnH2n+2→(n+1)H2+n[C]（渗C） 热分解 如 2CO→CO2+[C] （渗C）
NH3→3/2H2+[N] （渗N） 置换反应如：AlCl3+Fe→FeCl3+[Al]（渗Al） 还原反应：如TiCl4+2H2→4HCl+4[Ti] (渗Ti)
5-2 化学热处理基本原理
钢 三、相界面反应（吸附过程） 以CO在钢表面的相界面反应为例
➢ 一定能量的CO→冲刷钢表面，进入Fe晶格原 子引力场范围内，
➢ Fe(晶)+CO(气)→FeCO(吸附) C－O键被强烈变形，削弱了C－O间原子结合
力→ C－O键易被破坏。
➢当气相中CO碰在上述C－O中O原子时 C－O+CO→CO2+[C]
5-1 概述
3、分类： ➢ 以渗入元素命名:
单元渗：渗单一元素，如渗C、渗N、渗B。 多元共渗：如CN共渗，C N B三元共渗等。
➢ 根据渗入元素对性能作用：
提高渗层强度，耐磨性，渗C、N、B、Nb、V 提高抗氧化，耐高温性，渗Al、渗Cr 提高抗咬合，抗擦伤性能，渗S，渗N、P化等 提高抗腐蚀性能，渗N、渗Si、渗Zn等
活塞销 (20Cr )
柴油机曲轴
适用于承受磨损，交变接触应力或弯曲应力 和冲击载荷的机器零件
如：轴，活塞销、齿轮、凸轮轴
汽车、拖拉机、起重、坦克等设备中零件
80%以上
5-3 钢的渗C
渗C方法分类 依渗C剂 聚集状态 渗C方法可分为： 固体渗C、 液体渗C、 气体渗C（和特殊渗C）
✓固体渗C
➢ 介质状态：固体法；气体法；液体法。
5-2 化学热处理基本原理
一、基本过程：
1、分解 渗剂中的反应
2、吸收 相界面反应—吸附与解吸附反应。
3、扩散 （1）金属工件中的内扩散
含活性原 子的渗剂
（2）金属中的反应
钢
渗剂分解 释放活性原子
活性原子在工 件表面吸附
交 钢叉
进 行
活性原子由表 面向心部扩散
➢ 吸附的[C]侵入铁的晶格而溶于Fe中
FeCO(吸附)+CO(气)→Fe[C](吸附)+CO2(气)
5-2 化学热处理基本原理
渗N：化学吸附作用削弱N-H键。活性[N]一 部分被工件表面吸收，一部分以N2溢出。
Fe+3NH3→Fe(NH3) 吸 → Fe(NH) 吸 +Fe-2[H] 吸 →Fe[N]+3H2↑+N2↑
热处理原理及工艺
(21)
思考
1. 表面淬火 用途 ，常用方法，工序安排 2. 集肤效应
第五章 化学热处理
Chemistry heat treatment
第五章 化学热处理
5-1 概述 1、定义：特定介质中加热、保温，
使介质中某些元素渗入工件以改变 其表层化学成份和组织→改变性能 2、目的：使表层和心部获得不同的组 织性能。
第五章 化学热处理
5-3 钢的渗C（carburizing） 一、目的、分类及应用 定义—钢件 渗C介质 加热和保温， 表面含C量 和一定C浓度梯度
应用最广泛的一种化学热处理工艺。 目的：
✓ 高的表面硬度（HRC58~63），耐磨性 ✓ 高的接触σ-１，弯曲σ-1 ✓ 高的冲击韧性等。
5-3 钢的渗C
2h 1.5h 1h 0.5h
T
5-2 化学热处理基本原理 扩散控制型渗层深度：
f (T, )
T对δ的影响远比τ对δ的影响强烈。
(c) 表面浓度Cs越高，浓度梯度大，在相同T， τ，渗层越深。
5-2 化学热处理基本原理
※（２）第二种情况，混合控制型
表面不能马上达到平衡浓度。渗 层的增长速度取决于：
(a) 渗层深度与扩散时间的关系
2 K1
1100 ℃ 1000 ℃ 950 ℃ 900 ℃
δ渗层厚度，τ扩散时间，K1为常数
τ 渗层深度与扩散时间的关系
5-2 化学热处理基本原理
δ
(b)渗层深度与温度的关系
2
Q
K 2e RT
Q为被渗元素扩散激活能， R气体常数，T绝对温度。 δ与T成指数关系，T大，δ大。
源自文库
α
表
γ
心
5-2 化学热处理基本原理
2）生成化合物的反应扩散 钢中渗N→形成ε相N化物。
渗B→Fe2B或FeB 渗C→C化物，析出，C化物与 A二相共 存，随C%↑，C化物数量↑。
5-2 化学热处理基本原理
3. 扩散对化学热处理过程的影响
（１）扩散控制型
（界面反应速度快）
δ
通过热力学关系推算可得：
散，无相变。
C％
➢C、N、B与Fe形成间隙固溶体 ➢Cr、Al、Si等与Fe形成置换固溶体
5-2 化学热处理基本原理 T
2、反应扩散：有相变或形成化合物 α
1）发生相变-- 如1050℃， 钢中渗Cr
含碳量
Cr 扩大α相区
最初渗入γ-Fe中→→达到Cr在γ-Fe中极限溶解度 →→表面发生γ→α相变，Fe表面出现α相→→随扩 散进行，Cr%↑，α相长大，界面向内部推移。
渗剂：固体碳 粒：木炭 （70~90%）+ 催渗剂：碳酸 钠/BaCO3
固体渗碳示意图
+
加热炉 泥封 密封箱 工件
固体渗 碳剂
-
•在渗C T加热渗C（930℃，3～14h(0.4～1.4mm ) •单件、小批量
界面反应速度
金属中该元素的扩散速度
5-2 化学热处理基本原理
五、加速化学热处理过程方法 1）化学催渗
加入催渗剂 ↑渗入元素的渗入能力 如：气体N化时＋TiCl4→Cl2↑，活化工件表面， 加速渗N过程。 2）物理催渗法 ①T↑→ ↑吸附 扩散 ②真空 → 表面净化， ↑ ↑吸附 ③离子轰击，如离子渗N，渗C等
5-2 化学热处理基本原理
四、工件表层中的扩散过程 扩散： 原子 由 高浓度→低 转移 扩散分类:
纯扩散（如渗C） 反应扩散（如渗N）
5-2 化学热处理基本原理
T/ ℃
1、纯扩散—
930℃
形成连续固溶体, 无相变或
γ
化合物的形成和分解。
例如 20钢，930℃，渗C
整个渗C过程中，只发生C在A中扩 Fe 0.9～1.0 1.2
5-2 化学热处理基本原理
吸附分为两类:
物理吸附：凝聚作用，快，固体晶体与气体分子无电子 转移和化学键生成。多分子层 ; T↑，解析
化学吸附：电子转移，生成化学键。单分子层。T↑，吸
附大。
化学热处理
影响化学吸附因素： ① 温度 ② 表面光洁度差，吸附表面大，活性大。 ③无氧化、污染，则表面原子的自由键力场完全暴露， 表面活性大。
5-2 化学热处理基本原理
二、渗剂分解过程 分解反应：
热裂解 如 CnH2n+2→(n+1)H2+n[C]（渗C） 热分解 如 2CO→CO2+[C] （渗C）
NH3→3/2H2+[N] （渗N） 置换反应如：AlCl3+Fe→FeCl3+[Al]（渗Al） 还原反应：如TiCl4+2H2→4HCl+4[Ti] (渗Ti)
5-2 化学热处理基本原理
钢 三、相界面反应（吸附过程） 以CO在钢表面的相界面反应为例
➢ 一定能量的CO→冲刷钢表面，进入Fe晶格原 子引力场范围内，
➢ Fe(晶)+CO(气)→FeCO(吸附) C－O键被强烈变形，削弱了C－O间原子结合
力→ C－O键易被破坏。
➢当气相中CO碰在上述C－O中O原子时 C－O+CO→CO2+[C]
5-1 概述
3、分类： ➢ 以渗入元素命名:
单元渗：渗单一元素，如渗C、渗N、渗B。 多元共渗：如CN共渗，C N B三元共渗等。
➢ 根据渗入元素对性能作用：
提高渗层强度，耐磨性，渗C、N、B、Nb、V 提高抗氧化，耐高温性，渗Al、渗Cr 提高抗咬合，抗擦伤性能，渗S，渗N、P化等 提高抗腐蚀性能，渗N、渗Si、渗Zn等