化学热处理后的组织与性能

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20CrMnTi钢齿轮渗碳后淬火+低温回火后的组织：
节园：M回＋K＋A' 齿顶： M回＋K＋A' 心部：低碳M
渗碳后淬火及低温回火后的显微组织
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六、渗碳后的钢的机械性能
① ② 硬度和耐磨性 渗碳并淬火后可显著提高钢件的表面硬度和耐磨性。 冲击韧性和断裂韧性 钢件经过渗碳后，其冲击韧性和断裂韧性都降低，并且 表面碳含量越高、渗层越深，这两种性能降低越厉害。
二、渗碳方法：
（一）气体渗碳
（1）概念：把工件放在一定温度的富碳气体介质中，加热 和保温进行渗碳的工艺。 （2）特点：操作简便，周期短，质量容易控制，劳动条件 好。 （3）常用渗碳设备：
周期式炉 卧式
气体渗碳炉
滚筒炉 推杆式 振底式 连续式炉 输送带式 旋转罐式
按热源分为电加热炉和煤气加热炉。
5.渗层深度不够
形成原因：炉温低，碳势低， 漏气，装炉量过大等 防止办法：检查渗剂给入量，修复 炉子不良状况，清理
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沉积碳黑。
返修方法：补渗
6.表面硬度低
形成成因：表面碳浓度低，A′量多，或表面形成屈氏体组织 返修方法：补渗、深冷、重淬。 7.变形 成因形成：摆放不当，压挤
防止方法：合理吊装工件，淬火压床加压淬火
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五、渗碳后的组织与性能
1、渗碳后缓冷到室温下的组织
表面过共析区：P＋Fe3CII；接近共析区：P；亚共析区（过渡 区）：F＋P；心部：原始组织。
过共析区
共析区
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亚共析区
心部
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渗碳后缓冷，渗层分 三个区域： ①过共析层：OA段 珠光体＋网状渗碳体 ②共析层：A段 珠光体 ③过渡层：AC段 珠光体＋铁素体 心部原始组织：大量 铁素体＋少量珠光体
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3.表面大量残余奥氏体
形成成因： 渗C或淬火温度过高， 使A中 的C及含C量过高。 防止方法：降低碳势，降低
渗C温度和淬火温度，降低重
淬温度。 返修方法：
（1）深冷处理，
使A′→M （2）高温回火后重淬
表面大量残余奥氏体 400×
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4.渗C层深度不均匀
形成成因： 炉温不均匀，炉气循环不好，碳黑沉积在工件表 面,固体渗C时，渗剂不均匀
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3、化学热处理的分类
以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。
1）渗入非金属元素：
单元渗：C、N、B、O、S、Si等； 多元渗：C＋N、O＋N、O＋ C＋N 2）渗入金属元素： 单元渗：Al、Cr、Ti、Nb、V、Zn 多元渗：Al＋Si、Al＋Cr、 Al＋V、 Al＋Cr＋Si
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3）渗入元素对表面性能作用分类： 提高渗层强度及耐磨性→渗C、N、B、Nb、V等。 高抗氧化、耐高温→Al、Cr。 提高抗啮合、抗擦伤→渗S、N、磷化等。 提高抗腐性能→渗N、渗Si、渗Zn。 4）质的物理状态分： 固体―如固体渗C、固体渗B等。
液体―如盐溶炉渗B或B、C、N共渗等，渗Al等金属
气体―气体渗C和C、N共渗。
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（4） 常用的渗碳剂 天然气 丙 烷 煤气等 煤 甲 乙 丙 苯 油 醇 醇 酮 等
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气态渗剂
渗碳剂 液态渗剂
井式气体渗碳炉
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大型井式渗碳炉
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钢的气体渗碳
气体渗碳炉
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(二)、 固体渗碳法
（1）固体渗碳过程主要由下列步骤组成： ①在灼热的固体碳表面上，CO2与碳反应生成CO； ②在金属工件表面，CO分解析出活性碳原子； ③活性碳原子被工件表面吸收，并向内部扩散。 （2）固体渗碳的优缺点： ① 优点：不需要专门的渗碳设备，操作简单，成本低， 大小零件都能用。 ② 缺点：渗速慢，渗碳时间长，渗层不易控制，不能直 接淬火，劳动条件差，效率低。
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八、渗C缺陷及控制 1.表面粗大网状、块状碳化物
形成原因： 碳势太高，温度太高，
保温时间太长。
控制方法： 降低渗碳剂浓度、数量， 强渗期温度调低。
图5-21块状碳化物 级别8级400×
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2.表层贫碳或脱碳
形成原因： 扩散期碳势降低太多，炉子漏 气，缓冷或出炉时氧化脱碳 返修方法： 调整碳势并补渗；脱C层 ≤0.02mm时，喷丸处理 18CrMnTi渗碳表面脱碳
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4、化学热处理的特点
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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不受工件几何形 状的限制
即任何几何形状复杂的工件经 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
如开裂倾向较小；处理温度
具有较好的工艺性
（3）常用的设备：内热式或外热式盐炉
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（4）液体渗碳优缺点 ① 优点：加热速度快，加热均匀，渗碳后便于直接淬火， 适合于处理中、小型零件。 ② 缺点：多数盐浴有毒。 （5）液体渗碳后的冷却方式 ①随炉降温或将工件移至等温槽中预冷，然后直接淬火 （预冷温度应高于心部铁素体析出的温度）。 ②等温槽预冷后，工件出炉空气冷却（预冷目的是为了减 少表面脱碳及氧化），然后重新加热淬火。
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泥封 渗碳箱
盖
试棒 零件 渗碳剂
钢的固体渗碳炉
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(三)、 液体渗碳法
（1）概念：在熔融状态的盐溶渗碳剂中进行渗碳的工艺。 （2）液体渗碳工艺： ① 液体渗碳温度及盐浴活性是决定渗碳速度和表面碳含 量的主要因素。 ② 对于渗层薄及变形要求严格的工件，可采用较低的渗碳 温度（850∼900°C）； ③ 对于要求渗层厚者，渗碳温度要高一些 （910∼950°C）。 ④ 温度一定条件下，渗碳保温时间由渗层深度决定。
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七、渗碳件的组织对性能的影响
（1）表层碳含量：表面含碳量应控制在0.9％左右 。 （2）残留奥氏体：与马氏体相比，残留奥氏体强 度、硬度较低，塑性、韧性较高，组织中有一定 数量的残留奥氏体，能起到对外力缓冲和使应力 分布均匀的作用，增加了疲劳裂纹形成和扩展的 阻力，提高了钢的断裂韧性；不宜超过30％ （3）渗层碳化物：可显著提高工件的耐磨性和抗 咬合性，但粗大块状或网状碳化物的存在，会破 坏基体组织的连续性而引起脆性，使工件表面产 生剥落。
化学热处理后的组织与性能
一、目的和要求
1、了解碳钢的基本渗碳工艺； 2、熟悉钢渗碳后热处理的组织特征；
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二、仪器、设备和材料
1、化学热处理实验所用的简单实验设备； 2、进行化学热处理的实验样品; 3、切割机（或者锯刀）、砂轮机、锉刀、预磨机、抛 光机、洛氏和布氏硬度试验机；
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③ 疲劳强度 钢件经过渗碳后，其疲劳强度显著提高： a) 表面碳含量越高，马氏体开始转变温度越低，得到的马 氏体比容比心部大，在表面层得到的残余压应力越大， 它可以抵消相当部分由外加负载引起的拉应力，从而提 高疲劳强度。 b) 一定层深的高硬度渗透层，可以提高抵抗微裂纹的形成 和扩展，从而提高疲劳裂纹。
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（3）固体渗碳剂： 固体渗碳剂主要由供碳剂、催化剂组成。供碳剂一般 为木炭、焦炭；催化剂一般是碳酸盐。 （4）固体渗碳工艺： 把工件埋入渗碳箱中，四周填满固体渗碳剂，并用盖 和耐火泥将箱密封，然后送入加热炉中，加热至渗碳温 度(900∼930°C)，保温一定时间后出炉，即得所需样 品。 （5）常用的设备： 固体渗碳箱，箱式电炉、反射式燃煤炉
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（4）心部硬度及组织：工件心部硬度取决于钢的 碳含量。合适的心部组织应为低碳马氏体、贝氏 体或索氏体，不允许有大块、大量的铁素体存在。 （5）渗碳层深度：渗碳层的深度愈深，可以承载 接触应力愈大。在满足工件使用要求的前提下， 渗层越浅越经济。过多地增加层深，会使表面残 余压应力降低，工件韧性下降，疲劳强度降低。
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获得 经济效果好
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
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如耐腐蚀性、耐磨性等
5、化学热处理的基本过程
基本过程—— 大致分为三个阶段： ① 分解阶段：渗剂中的化学反应分解出渗入元素的活性 原子; ② 吸收阶段：活性原子被金属表面吸收; ③ 扩散阶段：渗入原子在金属基体内达到一定浓度后从 工件表面向内部扩散;
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问题：在什么状态下渗碳？ A还是F？
基本思路： 在Fe—C相图中，α - Fe中碳的最大溶解0.0218%， 而γ - Fe中碳的最大溶解度达到2.11%，所以在高温下，
A状态下渗碳，可以获得高的表面含碳量。
渗后低温淬火，以期获得最高强度和最大表面硬度。
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8.开裂――在缓冷过程中产生表面裂纹 形成成因：渗C后空冷渗层组织转变不均匀所致。如
兰 州 面为A，继续冷却时A→M，表面形成拉应力所至。理 工 防止方法：先减慢冷速使渗层共析转变后再快冷。 大 学
20CrMnMo渗后空冷，表层先形成薄层屈氏体，下
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渗碳工艺过程
排气 增碳期 升温
扩散期
ห้องสมุดไป่ตู้
降温期 均温
兰 州 升温 渗碳 扩散 冷却 理 工 典型气体吸热式连续渗碳工艺，分为升温、渗碳、扩散和冷却四个区域。 大 学
（3）分类：
按渗碳介质状态不同，分为固体渗碳、液体渗碳、气体 渗碳。以气体渗碳应用最广泛。
（4）渗碳的材料 含碳量为0.1－0.3％的低碳钢或合金钢。
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6、几种化学热处理工艺的比较
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7、化学热处理的应用
化学热处理方法、渗层深度、组织、性能及主要应用范 围如下表。
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钢的渗碳
一、渗碳的概述
（1）概念：
将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入 表层的一种表面化学热处理工艺。 （2）目的： 提高零件的表面硬度、耐磨性 高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度 心部保持良好的塑性与韧性。
三、实验原理
1、化学热处理的定义
将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活 性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性 能的一种热处理工艺。
原理:
渗剂分解出活性原子 工件表面吸收活性原子
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活性原子从工件表层向内部的扩散
2、化学热处理的目的
获得单一材料难以获得的性能或进一步提高制件的使用性 能。 1）碳钢渗C或C、N共渗→（淬火）获得表面高硬度、耐磨性， 心部保持良好的塑韧性。 2）渗氮（软N化或离子渗N）→表面耐磨、抗腐蚀。 3）渗Al→提高工件表面抗氧化、耐磨性能力。
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过共析组织(P+Fe3CⅡ) 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)
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2、渗碳后淬火加低温回火后的组织： 表面：回火马氏体+颗粒状碳化物+残余奥氏体；
心部组织依据钢种来确定。
若为低碳钢，淬透性差，为铁素体+珠光体； 若为低碳合金钢，淬透性好，为马氏体加少量铁素体。
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三、一般渗碳件的工艺路线
锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火+ 低温回火→精加工
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四、渗碳后热处理的目的
钢铁经过渗碳处理后，表面碳含量虽然很高，但其硬度 不高，只有经过热处理后，使其转变成马氏体，才能获得 较高的硬度和耐磨性能。 a. 提高工件表面的强度、硬度和耐磨性能； b. 提高心部的强度和韧性； c. 细化晶粒； d. 消除网状碳化物和减少残留奥氏体； e. 消除内应力，稳定尺寸。